鈦合金深孔鉆削槍鉆損傷的改善

葉陳新

（福建工程學(xué)院，福建 福州 350000）

1 鈦合金的特性及加工難點(diǎn)

1.1 鈦合金的特性

鈦合金的密度一般在4.51 g/cm3左右，僅為鋼的60%，鈦合金的強(qiáng)度與密度的比值遠(yuǎn)大于其他金屬材料；強(qiáng)度保持的溫度變化范圍比鋁合金高幾百度，可在450～550 ℃的高溫下長期工作而不改變性能；此外還具有抗腐蝕性好，低溫性能優(yōu)越等特性。

1.2 鈦合金難加工的原因

1）導(dǎo)熱性差：鈦的導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24 W/（m·K），約為鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)只有純鈦的50%左右，導(dǎo)致加工中切削產(chǎn)生的熱量無法被及時(shí)排除，切削刃部急劇高溫，產(chǎn)生的熱應(yīng)力和大溫差加速了刀具磨損。

2）鈦合金彈性模量大：鈦合金切削時(shí)加工表面的變形回彈量大，是不銹鋼的2～3 倍，加工時(shí)在徑向力作用下刀具容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動(dòng)，造成刀具刃部的劇烈摩擦、黏結(jié)、磨損。

3）鈦合金的化學(xué)性能活潑，在切削高溫下，很容易與空氣中的氧和氮發(fā)生反應(yīng)，切削過程中工件表面易產(chǎn)生硬化現(xiàn)象。冷硬現(xiàn)象不僅會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，而且極易造成崩刃。另外，在切削高溫和單位面積切削力的作用下，鈦合金的化學(xué)親和性很容易使刀具材料表面產(chǎn)生黏結(jié)形成積屑瘤，造成刀具過快損傷。

近些年，隨著醫(yī)療行業(yè)的迅猛發(fā)展，鈦合金在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用越來越多，公司接到一個(gè)醫(yī)療用固定支架的產(chǎn)品需要加工，材料是實(shí)心鈦合金棒料，長度為280 mm。需要鉆通Φ3.5（0/+0.02）mm 的孔，直線度公差要求（+0.1/-0.1）mm，表面光潔度要求Ra=1.6 μm，工件如圖1 所示。長徑比接近80 倍的孔首選加工方案是成本較低的槍鉆，我們選用的是硬質(zhì)合金釬焊式尖口槍鉆D3.5×980L。

圖1 鈦合金支架工件圖

2 槍鉆出現(xiàn)的問題及改善措施

深孔加工是處于封閉或半封閉狀態(tài)下進(jìn)行的，無法直接看到刀具的切削狀況。切削過程中產(chǎn)生的大量切屑不易排除，容易發(fā)生阻塞，孔的長徑比大，易產(chǎn)生振動(dòng)，造成槍鉆的崩刃或折斷。確如外界傳聞，鈦合金的深孔加工難度更大，發(fā)生的問題不少，但其中最突出的問題是刀具損傷，嚴(yán)重的時(shí)候槍鉆折斷，工件報(bào)廢。為便于本文文字說明，將所使用的釬焊式槍鉆的切削部分結(jié)構(gòu)圖附上，如圖2 所示。

圖2 釬焊式槍鉆的切削部分結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 槍鉆內(nèi)、外切削刃及鉆尖損傷

加工中最經(jīng)常遇到的狀況就是槍鉆的鉆尖和內(nèi)、外切削刃的崩刃（如下頁圖3 所示）或外切削刃細(xì)微崩缺（如下頁圖4 所示）。槍鉆的鉆尖及主切削刃（即外切削刃）是起主要切削作用的，承受了大部分的切削力，是切削熱源產(chǎn)生的集中地且加工過程中冷卻液基本難以到達(dá)切削中心區(qū)域，所以受損的程度與概率最大。針對此狀況經(jīng)過研討做了如下改善：

圖3 釬焊式槍鉆的鉆尖崩刃的照片

圖4 槍鉆主切削刃及鉆尖細(xì)微崩缺示意圖

2.1.1 更換槍鉆刀頭的材質(zhì)

考慮鈦合金的化學(xué)親和性強(qiáng)，在高溫和切削力的作用下，槍鉆刃尖部容易產(chǎn)生積削瘤，導(dǎo)致切削刃損傷。所以在槍鉆刀頭材料的選擇上由原來的牌號為K10 的硬質(zhì)合金改為牌號為K15 的鎢鈷類硬質(zhì)合金，該刀具材料韌性更好且與鈦元素的親合力相對偏小，由于該牌號硬質(zhì)合金材料屬于超細(xì)晶粒材料，所以磨削后表面光滑，不易產(chǎn)生黏結(jié)形成積屑瘤，另外該牌號刀具材料導(dǎo)熱性相對也比普通硬質(zhì)合金好。

2.1.2 改善冷卻壓力

一般切削過程中80%的切削熱被切屑帶走，而深孔鉆削只有20%～30%的熱量是經(jīng)由切屑帶出，切削部位易過熱，刃口的切削溫度有時(shí)高達(dá)600～700℃，所以，鉆削加工盲孔時(shí)冷卻液要有足夠大的壓力，才能將冷卻液輸送到刀刃切削中心區(qū)域達(dá)到冷卻的目的。冷卻液的作用除了冷卻和潤滑，更重要的是排屑。及時(shí)排出鐵屑并帶走加工中心部位的切削熱是保證槍鉆正常工作的前提。特別是加工鈦合金材料不易斷屑，切屑堵塞在深孔內(nèi)，刀刃受切屑擠壓造成崩刃是最常見的損傷原因。我們查了廠家提供的槍鉆在不同鉆孔深度與冷卻液壓力參數(shù)推薦表，如圖5 所示，廠家推薦的參數(shù)值為內(nèi)冷壓力需達(dá)到10 MPa（100 bar），考慮到輸出損耗等因素的影響，我們請?jiān)O(shè)備廠家將原來7 MPa（70 bar）的內(nèi)冷壓力增加到15 MPa（150 bar）。

2.1.3 優(yōu)化加工參數(shù)

圖5 孔深與冷卻液壓力參數(shù)推薦表

一般切削加工刀具正常的磨損應(yīng)該發(fā)生在后刀面上，但發(fā)現(xiàn)鉆削鈦合金時(shí)前刀面的磨損有時(shí)比后刀面更為嚴(yán)重，這可能是崩刃的主要原因。前刀面的損傷可能是因?yàn)檫M(jìn)給過大，主切削刃的切削抗力大，刀具剛性不足引發(fā)加工振動(dòng)，刀刃在不穩(wěn)定的狀態(tài)下加工造成的。切削速度過高，相當(dāng)于單位時(shí)間內(nèi)刀刃與加工面的摩擦路程變長，但單位時(shí)間排出的熱量沒有很大變化，這將導(dǎo)致刀具刃部切削溫度的急劇聚集，加速積屑瘤產(chǎn)生，也會(huì)導(dǎo)致刀具損壞。而進(jìn)給量與切削速度過低即降低加工效率，又造成刀具過度磨耗，所以選用正確的加工參數(shù)是避免刀具損傷的前提。我們依據(jù)廠家給的推薦加工參數(shù)，做了多組加工參數(shù)的測試：

主軸轉(zhuǎn)速n=4 000 r/min，槍鉆進(jìn)給速度vf=20 mm/min；

主軸轉(zhuǎn)速n=4 000 r/min，槍鉆進(jìn)給速度vf=40 mm/min；

主軸轉(zhuǎn)速n=5 000 r/min，槍鉆進(jìn)給速度vf=25 mm/min；

主軸轉(zhuǎn)速n=5 000 r/min，槍鉆進(jìn)給速度vf=50 mm/min；

主軸轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min，槍鉆進(jìn)給速度vf=30 mm/min；

主軸轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min，槍鉆進(jìn)給速度vf=60 mm/min；

主軸轉(zhuǎn)速n=7 000 r/min，槍鉆進(jìn)給速度vf=35 mm/min；

主軸轉(zhuǎn)速n=7 000 r/min，槍鉆進(jìn)給速度vf=70 mm/min；

主軸轉(zhuǎn)速n=8 000 r/min，槍鉆進(jìn)給速度vf=40 mm/min；

主軸轉(zhuǎn)速n=8 000 r/min，槍鉆進(jìn)給速度vf=80 mm/min。

經(jīng)測試，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到n=8 000 min-1時(shí)，刀具未達(dá)使用壽命即出現(xiàn)表面光潔度超差，鉆尖快速磨損等狀況，當(dāng)進(jìn)給速度達(dá)到70 mm/min 以上時(shí)槍鉆刀刃崩刃現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，所以依據(jù)測試的結(jié)果最終選用刀具使用最穩(wěn)定又兼顧效率的如下這組切削參數(shù)：

主軸轉(zhuǎn)速n=7 000 min-1，槍鉆進(jìn)給速度vf=50 mm/min。

以上三項(xiàng)的改善讓鉆尖及內(nèi)外切削刃的損傷現(xiàn)象明顯降低。另外槍鉆使用磨損鈍化后，不及時(shí)修磨則易導(dǎo)致鉆頭磨損程度加劇，扭矩增大，造成刀具崩刃或折斷，工件尺寸超差。而且過多地推遲重磨時(shí)間，則使修磨用砂輪成本增大，刀具費(fèi)用上升。并容易造成主切削刃棱角過度磨損，重磨余量增大。我們制定了一個(gè)做業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：槍鉆后刀面磨鈍值不超過0.2 mm，達(dá)到這個(gè)數(shù)值無論刀具是否磨損，都必需重磨再使用。這樣降低了切削刃損傷發(fā)生的機(jī)率，保證了刀具的設(shè)定耐用值及加工穩(wěn)定性。

2.2 槍鉆側(cè)切削刃損傷

釬焊式槍鉆在鉆削鈦合金過程中除了上述鉆尖及內(nèi)外切削刃損傷外，側(cè)切屑刃損傷的現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生，如圖6 所示是側(cè)切削刃崩刃的照片，如圖7 所示是側(cè)切屑刃細(xì)微損傷的示意圖。

圖6 槍鉆側(cè)切削刃崩刃的照片

圖7 槍鉆側(cè)切削刃細(xì)微崩缺的照片

2.2.1 導(dǎo)引孔或鉆套的改善

從發(fā)現(xiàn)側(cè)切削刃崩刃的現(xiàn)象起，我們就請教了刀具廠商，加工過程中的刀具跳動(dòng)大是側(cè)切削刃損傷的原因之一，特別是對于難加工材料，更應(yīng)注意提高工藝系統(tǒng)剛度，有效地降低切削振動(dòng)。槍鉆是不具備自定心功能的單刃刀具，因此加工時(shí)必須使用鉆套或?qū)б鬃鳛榈毒叩募庸ざㄎ?，?dǎo)向孔或鉆套過松或過緊、過長或過短，對刀具的使用壽命、工件加工表面、中心線偏離都有影響。根據(jù)槍鉆廠家給出的鉆套或引導(dǎo)孔的尺寸參考值，我們重新做了鉆套，鉆套的導(dǎo)向孔直徑控制在比槍鉆直徑大0.005～0.010 mm 公差內(nèi)。鉆套底面和工件表面的距離不超過0.5 mm，鉆套和主軸的同軸度不超過0.005 mm。原用高合金工具鋼為原材料加工的鉆套改為用硬質(zhì)合金加工的精密槍鉆鉆套，其硬度為（HRC）63～65，內(nèi)孔表面粗糙度為Ra1.6 μm，內(nèi)外徑最大允許不同軸度為0.002 mm，前端面最大允許跳動(dòng)為0.005 mm，最后一定要在導(dǎo)套孔口倒角1 mm×45°。

2.2.2 進(jìn)退刀程序的改善

槍鉆的側(cè)切削刃的損傷除了在切削過程中產(chǎn)生外，還有可能發(fā)生在進(jìn)退刀的過程中，除了因引導(dǎo)孔或鉆套的尺寸不正確引發(fā)外，進(jìn)退刀的參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)引發(fā)刀刃部的損傷。槍鉆送進(jìn)到鉆套或?qū)б讜r(shí)應(yīng)以不旋轉(zhuǎn)或以低于50 r/min 的速度旋轉(zhuǎn)，然后開啟冷卻液，開啟主軸。達(dá)到加工深度后，開始退刀，退刀時(shí)主軸應(yīng)停止旋轉(zhuǎn)或以低于50 r/min的速度旋轉(zhuǎn)。我們最終將退刀形式由原來旋轉(zhuǎn)退刀改為刀尖朝上12 點(diǎn)鐘方向靜止退刀。

以上改善措施實(shí)施后，側(cè)刃損傷現(xiàn)象減少，我們還與槍鉆廠家請教探討了槍鉆倒錐值，認(rèn)為槍鉆倒錐值太小造成側(cè)刃損傷。槍鉆切削部分同所有鉆頭一樣也需要刃磨倒錐，槍鉆倒錐值按每100 mm 的長度上直徑D 的減少0.02D 的值計(jì)算，其主要作用是減輕鉆頭與工件孔壁間的摩擦，減少切削熱的產(chǎn)生。切削刃倒錐值的大小直接影響槍鉆的使用壽命。通常倒錐小，刀具尺寸保持能力強(qiáng)，但刀具潤滑就差，摩擦力增大，切削阻力增大。倒錐值越大，軸向的磨損量越小，徑向的磨損量越大，加工孔的直線度和形狀公差較大，刀具耐用度降低。槍鉆生產(chǎn)廠家認(rèn)為目前倒錐值合理，故這項(xiàng)暫時(shí)未做修改。

2.3 槍鉆支撐導(dǎo)條部位的損傷

槍鉆是單刃深孔加工刀具，單刃刀具在加工過程中，切削刃受到一定的徑向分力Fp的作用（如圖8所示），刀具會(huì)產(chǎn)生擾曲變形，無法達(dá)到深孔加工孔徑直線度，圓柱度等精度要求，所以設(shè)計(jì)了支撐的導(dǎo)條，來抵消刀具因切削力而產(chǎn)生的變形和振動(dòng)，當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜr(shí)，徑向分力Fp即受到對向?qū)l的支撐力作用，擾曲變形量幾乎為0。既然存在力的作用，就會(huì)有摩擦擠壓產(chǎn)生，刀具的受力部位會(huì)有磨損是正常的，但我們發(fā)現(xiàn)槍鉆常常在用鈍重磨后的使用過程中出現(xiàn)支撐導(dǎo)條部位非正常磨損的損傷現(xiàn)象，新刀則未發(fā)現(xiàn)有該現(xiàn)象發(fā)生。如圖9 為槍鉆的支撐導(dǎo)條部分損傷照片。

圖8 槍鉆切削分力示意圖

圖9 槍鉆支撐導(dǎo)條部位損傷示意圖

2.3.1 槍鉆重磨后切削角度的改善

我們在比對新槍鉆和重磨過的槍鉆的角度后發(fā)現(xiàn)，槍鉆在重磨后往往切削角度發(fā)生了變化。槍鉆內(nèi)、外刃的主偏角對切削刃的受力狀態(tài)、刀尖強(qiáng)度、斷屑和排屑情況都有很大的影響。習(xí)慣上標(biāo)注時(shí)僅標(biāo)注余偏角，槍鉆內(nèi)、外刃的余偏角亦分別被稱為內(nèi)角（用ψy表示）和外角（用ψx表示），鉆尖至鉆頭軸線的距離稱為鉆尖偏心量，用e 表示。內(nèi)、外角和鉆尖偏心量直接影響著切削刃的受力狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)刃徑向力過大時(shí)，將使作用于側(cè)切屑刃的分力過大，引起較大的直線度誤差，使孔徑尺寸超差，表面粗糙度增加，切削刃帶過快磨損，側(cè)切削刃損傷。當(dāng)外刃徑向力過大時(shí)，將使作用于支撐導(dǎo)條的擠壓力增大，摩擦增大，已加工表面惡化，熱量增加，支撐導(dǎo)條部分加劇磨損，所以槍鉆最好的情況就是外刃徑向力等于內(nèi)刃徑向力，通常當(dāng)e=d/4（d 為槍鉆直徑）時(shí)外刃徑向力等于內(nèi)刃徑向力。我們制定了修磨標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)圖紙，規(guī)定重磨時(shí)參數(shù)：e=d/4=0.875 mm，修磨外角取值ψx=40°，內(nèi)角取值ψy=30°，如圖10 所示。

圖10 槍鉆內(nèi)、外角度示意圖

2.3.2 冷卻液品質(zhì)改善

冷卻液的種類有純油，乳化液、半合成切削液和全合成切削液。鈦合金深孔鉆削減小摩擦力防止熱堆積是主要問題，冷卻液應(yīng)選擇潤滑性好、冷卻性能佳的產(chǎn)品。參考同行的經(jīng)驗(yàn)和槍鉆生產(chǎn)廠家的推薦以及考慮到經(jīng)濟(jì)性等因素，我們依舊采用最適合鈦合金鉆削的切削油作為冷卻液，但使用中檢測關(guān)注使冷卻液溫度一般不超過40 ℃，高溫導(dǎo)致切屑液老化，失去潤滑性，導(dǎo)致刀具異常損傷，加工表面質(zhì)量惡化。導(dǎo)致槍鉆支撐導(dǎo)條部分磨損的除了切削油本身的潤滑性能外，當(dāng)切削油中的雜質(zhì)含量過多且雜質(zhì)顆粒較大時(shí)，就會(huì)劃傷已加工表面和槍鉆的導(dǎo)條表面，所以切削油的過濾設(shè)備我們請?jiān)O(shè)備廠家進(jìn)行了改善，切屑油的過濾精度由原來50 μm 提升到20 μm 的標(biāo)準(zhǔn)。另外，除平時(shí)及時(shí)補(bǔ)充切削油外，我們設(shè)定具體時(shí)間定期更換切削油，以保持切削油的純度，減少雜質(zhì)對工件已加工表面和槍鉆的導(dǎo)條表面的損傷。

3 改善效果

經(jīng)過以上所述的各項(xiàng)改善后，刀具較少再出現(xiàn)意外崩刃，加工過程刀具較穩(wěn)定，基本能達(dá)到刀具預(yù)定的耐用度要求，即修磨一次可達(dá)到加工500 個(gè)工件的使用壽命，從而提高了生產(chǎn)效率。如圖11 所示的是加工現(xiàn)場照片，加工結(jié)果符合圖紙公差要求Φ3.5（0/+0.02）mm，符合直線度要求（+0.1/-0.1）mm，表面光潔度達(dá)到Ra=1.6 μm 以內(nèi)。

圖11 槍鉆加工現(xiàn)場照片