鈦合金深盲孔加工

鄒峰

湖北三江航天紅林探控有限公司 湖北孝感 432009

1 序言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好及熱強(qiáng)度高等特點(diǎn)，因此被大量應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療、化工及石油管道等零件加工中。鈦合金為難切削材料，具有切削效率低、刀具磨損快、排屑困難以及表面質(zhì)量差等加工難點(diǎn)，成為制約鈦合金類零件加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)典型鈦合金零件加工工藝的研究，有效解決了鈦合金深盲孔內(nèi)腔類零件車削質(zhì)量難以保證的技術(shù)難題。

2 鈦合金的加工難點(diǎn)和容易產(chǎn)生的問(wèn)題

鈦合金（TC4）的物理、力學(xué)性能（見(jiàn)表1）決定了其加工時(shí)存在以下技術(shù)難題。

表1 鈦合金（TC4）物理、力學(xué)性能

1）鈦合金的彈性模量低，在切削力作用下使零件已加工表面容易產(chǎn)生回彈，從而使刀具切削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，后刀面磨損加劇，直接影響零件的尺寸精度和表面粗糙度。

2）鈦合金熱導(dǎo)率和比熱容都非常低，造成切削鈦合金時(shí)，切屑與刀具前刀面接觸長(zhǎng)度短，使切削熱大量（約75%）集中在切削刃附近的小面積內(nèi)，不易散發(fā)，導(dǎo)致這一區(qū)域切削溫度過(guò)高，加快了刀具的磨損；同時(shí)，鈦又是化學(xué)親和力極強(qiáng)的元素，容易在加工表面形成加工硬化層，使刀具磨損加快。

3）鈦合金切削時(shí)容易與刀具發(fā)生粘結(jié)，切削溫度高易產(chǎn)生積屑瘤，直接影響零件尺寸及表面粗糙度，甚至可能會(huì)引起刀具折斷。

3 鈦合金典型零件分析

3.1 零件介紹

零件的整體三維模型如圖1所示，零件尺寸如圖2所示。該零件為鈦合金深肓孔復(fù)雜內(nèi)腔零件，內(nèi)腔主要由螺紋、臺(tái)階孔、內(nèi)錐面、內(nèi)鉤槽和圓角組成。零件材料為TC4（α＋β）型鈦合金，內(nèi)孔內(nèi)錐面表面粗糙度值Ra＝0.8μm，內(nèi)孔18.5mm圓柱度為0.01mm，外圓38mm與內(nèi)孔16mm的前端錐面關(guān)于內(nèi)孔18.5mm的同軸度為0.02mm，端面φ38mm和M26×1.5mm螺紋退刀槽端面關(guān)于內(nèi)孔18.5mm的垂直度為0.02mm。

圖1 零件整體三維模型

圖2 零件尺寸

3.2 加工難點(diǎn)分析

根據(jù)零件的尺寸要求加工φ16mm和φ18.5mm內(nèi)孔錐面、φ24.6mm×24.4mm的內(nèi)槽以及外部形狀是該零件的加工難點(diǎn)。由于φ16mm內(nèi)孔深度為90mm，長(zhǎng)徑比為5.6∶1，所以加工該零件時(shí)，刀桿懸伸過(guò)長(zhǎng)，容易產(chǎn)生振動(dòng)。另外，材料彈性較大、排屑困難、表面質(zhì)量和尺寸公差均難以保證，且冷卻非常困難，切削時(shí)刀具容易磨損、崩刀。同時(shí)，因內(nèi)孔底部鉤槽φ16mm內(nèi)孔與鉤槽直徑相差8.6mm，所以無(wú)適合的標(biāo)準(zhǔn)刀具，只能設(shè)計(jì)特殊刀具進(jìn)行加工，且加工時(shí)因切削余量過(guò)多，需采用分步加工。這些加工難點(diǎn)的存在使得加工過(guò)程中刀具的選擇、加工工藝路線、裝夾方式、非標(biāo)刀具的設(shè)計(jì)及冷卻方式的選擇等都成為該零件能否加工合格的關(guān)鍵。

4 加工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)零件結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)的分析，制定出以下加工工藝方案。

1）對(duì)毛坯零件進(jìn)行粗加工時(shí)，留1mm的加工余量。

2）精車零件最大的外圓作為后序工序的裝夾基準(zhǔn)。

3）鏜制軟自定心卡盤，保證同軸度＜φ0.02mm，對(duì)零件進(jìn)行粗鉆孔，用φ15mm、φ17.5mm和φ23mm的鉆頭加工，并使用φ14.9mm平底鉆頭保證內(nèi)孔總深度為110.7mm。

4）粗車外圓，使用多功能切槽刀，留0.2mm余量，平端面，粗車內(nèi)孔，留余量0.2mm。

5）使用自制內(nèi)鉤槽刀對(duì)φ26mm×24mm鉤槽進(jìn)行粗加工，留0.2mm余量。

6）精車外圓、內(nèi)孔、端面以及M26×1.5mm螺紋，這樣可以保證φ18mm的內(nèi)孔與螺紋退刀槽端及零件端面垂直度＜0.02mm，φ18mm內(nèi)孔與錐面φ38mm外圓的同軸度＜φ0.02mm。但加工內(nèi)孔時(shí)，如果使用卡管裝夾應(yīng)注意：若裝夾全硬質(zhì)合金刀桿，則必須清理干凈輔助夾具的內(nèi)孔，防止因有多余物影響刀桿的夾持效果；另外，因?yàn)槿操|(zhì)合金刀桿脆性大，所以裝夾時(shí)用力一定要適度，否則容易造成刀桿折斷。

7）使用自制內(nèi)鉤槽刀、自制仿形刀和自制鏜孔刀3把刀接力的方式，加工φ26mm×24.4mm內(nèi)槽，并保證槽根部R2mm的要求，完成內(nèi)腔加工。

5 加工工藝方案設(shè)計(jì)

5.1 刀具及幾何參數(shù)的選擇

根據(jù)鈦合金熱導(dǎo)率差、比熱容高、易產(chǎn)生積屑瘤、彈性模量低以及回彈性大的加工難點(diǎn)，為避免被加工零件產(chǎn)生振紋、表面粗糙度差、尺寸公差無(wú)法保證，選擇加工刀具時(shí)應(yīng)盡量選擇切削力小、耐磨性好的刀具。最終選擇的刀桿及刀片見(jiàn)表2，刀具幾何參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表2 刀桿及刀片

表3 刀具幾何參數(shù)

5.2 專用刀具的設(shè)計(jì)

（1）內(nèi)鉤槽刀 內(nèi)鉤槽刀刀體為M42材質(zhì)的高速鋼（見(jiàn)圖3），韌性、耐磨性均優(yōu)于W18Cr4V的高速鋼，且刀具刃口鋒利。由于刀具懸長(zhǎng)為110mm，鉤槽深度為8.6mm，孔徑為16mm，導(dǎo)致刀柄直徑只能為10mm，刃部寬度只能為3mm，如果刃部過(guò)寬，就會(huì)造成刀具切削力過(guò)大，出現(xiàn)折斷現(xiàn)象。同時(shí)鉤槽時(shí)必須采用臺(tái)階式方法加工，即每次進(jìn)刀比上一次進(jìn)刀多進(jìn)0.5m m，注意保留φ24.6mm×24.4mm槽底部R2mm的余量，精加工出12mm長(zhǎng)的內(nèi)槽形狀。再利用數(shù)控車床進(jìn)刀準(zhǔn)確的特點(diǎn)，利用自制仿形刀加工出φ24.6mm×24.4mm槽后半部分和R2mm圓角。

圖3 內(nèi)鉤槽刀

（2）自制內(nèi)仿形刀 標(biāo)準(zhǔn)外購(gòu)內(nèi)仿形刀直徑方向的最大切削深度為6.5mm，工件深度為8.6mm，無(wú)法滿足加工需要。同時(shí)，由于刀具懸伸量為110mm，因加工需要，刀柄直徑只能為10mm，長(zhǎng)徑比為11∶1，因此加工時(shí)必須采用小切削深度、大進(jìn)給方式進(jìn)行。綜上，需自制內(nèi)仿形刀桿（見(jiàn)圖4），采用進(jìn)口外購(gòu)刀片加工鈦合金零件，既能保證產(chǎn)品的表面質(zhì)量和尺寸精度，也可以提高刀片壽命和穩(wěn)定性。使用內(nèi)仿形刀加工時(shí)采取分層切削，后一次比前一次進(jìn)刀少進(jìn)給0.1mm，這樣做能有效防止因切屑和積屑瘤的產(chǎn)生而出現(xiàn)刀尖崩碎的情況。

圖4 自制內(nèi)仿形刀桿

（3）外切槽刀 使用外切槽刀（見(jiàn)圖5）加工外形，看似簡(jiǎn)單，但要想保證零件尺寸精度必須要注意，橫向走刀切削時(shí)，刀具切削刃與工件軸線之間會(huì)有一個(gè)副偏角，這個(gè)副偏角的大小主要與進(jìn)給量、切削深度、刀桿頭部懸伸長(zhǎng)度、刀片的寬度、零件轉(zhuǎn)速和工件材質(zhì)這6種因素有密切關(guān)系。因此，在精加工零件時(shí)必須考慮直徑補(bǔ)償因素，當(dāng)外切槽刀沿徑向切槽至工件最終直徑后，再沿軸向橫向走刀，刀片會(huì)出現(xiàn)一個(gè)副偏角，徑向切槽處工件直徑D1與橫向車削處工件直徑D2兩者會(huì)出現(xiàn)一個(gè)調(diào)試差Δ（見(jiàn)圖6），其中Δ/2＝(D1－D2)/2，必須對(duì)外切槽刀進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5 外切槽刀

圖6 調(diào)試差

根據(jù)計(jì)算得出補(bǔ)償值，按以下加工可避免工件表面出現(xiàn)臺(tái)階情況。

1）切槽至最終直徑。

2）回退刀具，其距離為Δ/2。

3）進(jìn)行首件橫向精車前，切記一定要在工件上進(jìn)行試切削，以確定最終加工尺寸。

5.3 工件的裝夾

工件加工時(shí)使用刀具較多，零件需要多次重復(fù)裝夾，且鈦合金材料加工時(shí)切削力大，為保證零件的同軸度、垂直度和圓柱度，本零件加工使用鋼制未淬火軟自定心卡盤，它有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是可以增加夾持力；二是可以精確定位，重復(fù)使用。對(duì)于加工裝夾所使用的軟自定心卡盤有以下要求。

1）低碳鋼材料制造軟自定心卡盤，具有強(qiáng)度高，可裝夾高硬度鋼件、鈦合金以及高溫合金等難加工材料的零件，可用于斷續(xù)切削等優(yōu)點(diǎn)。

2）在軟自定心卡盤內(nèi)部夾一個(gè)圓柱形墊塊，可有效消除軟自定心卡盤裝夾工件時(shí)因受力大小不一造成的傳動(dòng)間隙，提高其裝夾精度。

3）內(nèi)卡軟自定心卡盤的外徑要略大于工件內(nèi)徑，一般為超出工件內(nèi)徑0.02～0.05mm，這樣可以保證卡爪與工件緊密結(jié)合，保證夾持的穩(wěn)定性。

5.4 切削參數(shù)

根據(jù)零件材料、尺寸精度、表面粗糙度的要求，表面粗糙度計(jì)算公式見(jiàn)式（1），以式（1）的計(jì)算值為基礎(chǔ)，結(jié)合刀具手冊(cè)上推薦的切削參數(shù)值，確定了刀具的切削參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 刀具切削參數(shù)

式中，R a為表面粗糙度值（μ m）；f為進(jìn)給量（mm/r）；rε為刀尖圓弧半徑（mm）。

5.5 測(cè)量?jī)?nèi)孔

內(nèi)孔尺寸及公差為φ18.5+0.02+0mm，表面粗糙度值Ra＝0.8μm，如采用內(nèi)徑百分表和內(nèi)徑三爪千分尺測(cè)量，由于人為測(cè)量誤差較大，并有可能劃傷內(nèi)孔表面，因此，應(yīng)采用測(cè)量精度為0.001mm，以氮?dú)鉃闅庠吹臍鈩?dòng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量，這樣既能保證測(cè)量精度，也防止劃傷內(nèi)孔表面。

5.6 冷卻方式

采用水溶劑極壓切削液，對(duì)刀桿進(jìn)行內(nèi)冷卻和對(duì)刀座進(jìn)行外冷卻相結(jié)合的方式。切削液要有較高的壓力和足夠的流量，外冷時(shí)應(yīng)使切削液對(duì)準(zhǔn)刀尖部位，使加工部位得到快速充分冷卻，以減小切削熱對(duì)工件造成的變形影響；內(nèi)冷時(shí)要精確地對(duì)準(zhǔn)切削刃與工件的接觸區(qū)間。因此，選擇刀具時(shí)盡量選擇帶內(nèi)冷卻孔的刀具，冷卻液能直接到達(dá)刀具的刀尖部分，使刀具得到充分的冷卻。

5.7 排屑問(wèn)題

由于該零件內(nèi)孔長(zhǎng)徑比大，鈦合金材料塑性較好，所以切屑容易纏繞在刀桿上，如不及時(shí)清理，容易造成內(nèi)孔表面劃傷，甚至損壞刀尖。因此，鏜孔時(shí)，在半精車、精車的每一個(gè)循環(huán)完成后應(yīng)設(shè)置暫停，及時(shí)清理切屑。

6 數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)

數(shù)控程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示，由工藝路線及程序設(shè)計(jì)流程編制數(shù)控程序。

圖7 數(shù)控程序設(shè)計(jì)流程

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)工藝創(chuàng)新，把刀具材料、涂層、幾何角度、工件的裝夾方式、冷卻液的使用以及切削用量等要素結(jié)合起來(lái)合理選用，總結(jié)出一套加工鈦合金的切削參數(shù)。自制3把刀具接力加工，加工后的零件尺寸精度完全符合設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品一次交驗(yàn)合格率由原來(lái)的70%提高到99%。此工藝方法有效解決了鈦合金深盲孔內(nèi)腔加工中易產(chǎn)生積屑瘤和振紋、表面粗糙度差及尺寸公差不易保證等一系列技術(shù)難題。