大孔徑鈦合金管深孔套料鉆削技術(shù)及應(yīng)用

韓曉蘭，劉戰(zhàn)鋒

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.陜西深孔智越科技有限公司，陜西 西安 712000)

鈦合金管是航空航天、海洋船舶、石油化工和石油勘探中大型設(shè)備常用的關(guān)鍵機(jī)械零件[1,2]，該類零件的深孔一般是通過深孔鉆鏜孔工藝或斜軋穿孔及軋制獲得。鉆鏜孔工藝直接利用深孔鉆對鈦合金棒材進(jìn)行鉆削，材料的利用率不足50%，對于某些大孔徑的薄壁鈦合金管，其利用率更低，不足10%，因此造成大孔徑鈦合金管的加工成本很高[3,4]。斜軋穿孔及軋制是目前無縫管生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的工藝之一，采用該工藝時鈦合金消耗小，但是其設(shè)備復(fù)雜、周期長、成品率低，且該工藝僅應(yīng)用于低強(qiáng)度鈦合金的加工，而對于高強(qiáng)度鈦合金管的軋制工藝，目前尚處于研究階段[5-7]。

深孔套料鉆削工藝因斷屑和排屑困難、加工狀況處在半封閉狀態(tài)下不便觀察等因素成為深孔加工方面的難題[8,9]，對于鈦合金材料加工，更是受到其工藝、剛度、強(qiáng)度、切削刀具的磨損、導(dǎo)向塊磨損和排屑難等諸多因素影響[10-12]，使鈦合金深孔套料的加工難度增加，最終出現(xiàn)如排屑出口堵屑、入鉆不穩(wěn)定、套料過程振動現(xiàn)象嚴(yán)重、崩刀現(xiàn)象等問題[13,14]，使得鈦合金深孔套料技術(shù)成為目前一個重要的難題。

為了解決上述問題，以降低工藝成本，節(jié)約原材料和減少機(jī)床的功率消耗。本文以大孔徑鈦合金管的加工為背景，設(shè)計了大孔徑鈦合金管深孔套料鉆削工藝。

針對大孔徑鈦合金管套料鉆削過程中存在的這些問題，從工藝的角度出發(fā)，提出了一定的解決方法，并進(jìn)行了大孔徑鈦合金深孔套料鉆削試驗，試驗結(jié)果表明：采用以環(huán)形切削方式在實體材料上進(jìn)行大孔徑鈦合金管深孔套料鉆削工藝，能節(jié)約大量的鈦合金原材料，并且能得到比較高的加工質(zhì)量。該工藝的發(fā)展為大孔徑鈦合金管的生產(chǎn)提供了新的工藝途徑。與傳統(tǒng)的鉆鏜孔工藝相比，大孔徑鈦合金管深孔套料鉆削工藝具有工藝簡單、材料利用率高、刀具成本低和機(jī)床磨損小等優(yōu)點。

1 深孔套料加工系統(tǒng)

根據(jù)鈦合金材料的切削性能特點和工件結(jié)構(gòu)，為了更順暢的排屑，鈦合金深孔套料加工系統(tǒng)采用外排屑深孔套料鉆削系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由深孔鉆鏜床、深孔套料鉆和冷卻排屑系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示。該系統(tǒng)運(yùn)動方式為工件旋轉(zhuǎn)、鉆桿進(jìn)給。切削液通過鉆桿的尾部進(jìn)入鉆桿內(nèi)部，經(jīng)鉆桿內(nèi)壁和工件的間隙進(jìn)入套料鉆的頭部進(jìn)行冷卻潤滑，并將形成的切屑從鉆桿外壁和工件的間隙中排出，所獲得的鈦合金管和芯棒如圖2所示。

圖1 鈦合金深孔套料鉆削系統(tǒng)

圖2 深孔套料鉆削所獲得的鈦合金管和芯棒

2 鈦合金深孔套料關(guān)鍵技術(shù)

2.1 深孔套料鉆的設(shè)計

2.1.1 深孔套料鉆刀齒材料

鈦合金材料的切削加工性能比較差，切削加工時切削速度比較低，在進(jìn)行切削加工時，因其切屑呈鋸齒狀而造成了刀具切削力呈周期性變化，且刀具受到的切削沖擊力比較大[15,16]，因此，鈦合金材料套料鉆削時，宜選擇強(qiáng)度高、抗沖擊韌性較好的YG8硬質(zhì)合金作為深孔套料鉆的刀齒材料。YG8硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度比較高，且抗沖擊性能和抗振性能都比較好，而其耐磨性能和允許的切削速度卻比較低[17,18]。

2.1.2 深孔套料鉆的結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)

深孔套料鉆的結(jié)構(gòu)如圖3所示。對于鈦合金材料，采用單齒外排屑深孔套料鉆比較合適，多齒的深孔套料鉆會產(chǎn)生比單齒深孔套料鉆更大的振動，且多齒深孔套料鉆的刀齒中要加入必要的搭接量勢必要增大切削力，從而間接的增大了切削功率，提高了對機(jī)床的要求。

圖3 深孔套料鉆的結(jié)構(gòu)

由于鈦合金比強(qiáng)度和熱強(qiáng)度高、切削變形系數(shù)和彈性模量小等特點[19,20]，宜采用小前角、大后角以及較大的主偏角，使切削刃鋒利耐磨，減小切屑變形。因此選取前角γ0為 7°，后角α0為12°，主偏角kr為80°，刃傾角λs為0°。

老巴說：“真的不是什么事。早上四強(qiáng)店里客人多，他完全丟不開手。我就自己過去接阿里。去的時候還蠻好，回來走地下通道，走急了，摔了一下?！?/p>

根據(jù)鈦合金材料特性，斷屑槽結(jié)構(gòu)選用圓弧型，其參數(shù)為：斷屑臺的寬度Wn為2.5～3.8 mm，斷屑臺深度Hn取為0.5～1 mm，圓弧半徑Rn一般取為0.5～0.8 mm。

為了實現(xiàn)很好的斷屑，刀片采用了軸向階梯分屑方式，在滿足要求孔徑的前提下，盡可能增大芯棒直徑，以便節(jié)約材料，但為了更好的斷屑和排屑，采用的單齒刀片為4級階梯式刀片，切削刃總寬度為15 mm，由外到內(nèi)每齒寬度分別為3 mm、4 mm、4 mm、4 mm，分屑齒的結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

圖4 軸向階梯分屑齒的結(jié)構(gòu)

2.2 鈦合金深孔套料排屑效果

對鈦合金工件材料進(jìn)行外排屑深孔套料加工時，由于鉆削用量、刀具結(jié)構(gòu)、切削液流量的不同而出現(xiàn)了不同的切屑形態(tài)。當(dāng)切削速度在14.7～27.0 mm/min之間，進(jìn)給量處于f=0.10～0.15 mm/r之間時，排屑和鉆削過程非常穩(wěn)定，切屑能很好的自動斷屑，能實現(xiàn)長時間的套料加工。

當(dāng)切削液的流量加大時，不僅能提高加工系統(tǒng)的剛性，還能使切屑自動斷屑的周期變小，長屑變?yōu)槎绦迹煌那邢饕毫髁繉μ琢香@的分屑效果影響不是很明顯。因此，在對鈦合金材料進(jìn)行深孔套料加工時，應(yīng)加大油路通道的截面面積，加大切削液的流量，使切屑在大流量的切削液作用下能較好的進(jìn)行斷屑和排屑，使鉆削過程更加平穩(wěn)。

深孔套料鉆削的排屑過程主要是由高壓切削液將切屑強(qiáng)制帶出，切削液從鉆桿的末端輸入，到達(dá)切削部位帶走切屑，再從鉆桿的外側(cè)將切屑帶出，如圖5所示。隨著孔的深度的增加，切削液沿程阻力損失和切屑排出的路線就會增加，如果切削液壓力小于或者等于切屑沿途的阻力，就導(dǎo)致帶狀切屑纏繞現(xiàn)象出現(xiàn)，使套料切削過程產(chǎn)生振動、崩刀、打刀，導(dǎo)致套料切削過程無法正常進(jìn)行。通常情況下，采用加大切削液壓力和流量，強(qiáng)制將切屑從切削區(qū)帶走，以減小套料過程中切屑纏繞問題而產(chǎn)生的振動。

圖5 切屑與切削液流經(jīng)示意圖

2.3 鉆桿的強(qiáng)度及剛度

在深孔套料加工過程中，采用工件轉(zhuǎn)動、刀具直線進(jìn)給的加工方式。在鉆桿向前移動、刀具與工件之間產(chǎn)生擠壓的過程中，鉆桿的前端部會受到工件向后的反作用力，反作用力的大小對于鉆桿是否產(chǎn)生屈服具有一定的影響。因此，為了保證鉆桿在加工過程中不因強(qiáng)度不夠而影響加工，鉆桿的最大工作壓力不得超過40Cr材料的許用壓力，及要求鉆桿的強(qiáng)度條件為

在加工過程中，轉(zhuǎn)速過大時會使得扭轉(zhuǎn)角過大，進(jìn)而會引起強(qiáng)烈的振動，由于振動可導(dǎo)致打刀崩刀現(xiàn)象，因此需要對鉆桿扭轉(zhuǎn)變形做一定的限制，即滿足鉆桿的扭轉(zhuǎn)剛度條件

3 鈦合金深孔套料鉆削加工

3.1 加工條件及工藝參數(shù)

鈦合金深孔套料采用外排屑深孔加工系統(tǒng)，試樣為TC4棒料，尺寸為230 mm×1 200 mm，如圖6(a)所示。深孔套料鉆直徑為115 mm，進(jìn)給量為f=0.17 mm/r、f=0.19 mm/r、f=0.20 mm/r、f=0.22 mm/r，轉(zhuǎn)速為110 r/min、145 r/min，切削液流量Q=125 L/min、Q=250 L/m，切削液壓力2.5 MPa。深孔套料加工過程如圖6b所示。

圖6 鈦合金深孔套料加工

3.2 加工結(jié)果及分析

鈦合金深孔套料加工結(jié)果如圖7所示。該試件所有尺寸均達(dá)到設(shè)計要求。鈦合金管孔壁和芯棒的尺寸精度均可達(dá) IT8，表面的粗糙度可達(dá)3.2 μm。

圖7 大孔徑鈦合金深孔套料加工結(jié)果

不同工藝參數(shù)組合下所獲得的深孔套料鉆削過程如表1所示。在鈦合金深孔套料過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，隨著進(jìn)給量的增大，軸向鉆削力和扭矩增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為110 r/min、進(jìn)給量為0.2 mm/r、切削液壓力2.5 MPa、切削液流量250 L/min時，深孔套料鉆削過程中沒有發(fā)生堵屑現(xiàn)象，刀具出現(xiàn)輕微的鈍化，如圖8a所示。但在轉(zhuǎn)速大于110 r/min、進(jìn)給量大于0.20 mm/r時，發(fā)生堵屑現(xiàn)象，并且靠近芯棒的一側(cè)發(fā)生崩刀，如圖8b所示。

表1 不同工藝參數(shù)組合下的深孔套料鉆削過程

圖8 刀具狀態(tài)

當(dāng)進(jìn)給量處于0.19 mm/r和0.20 mm/r之間時，切屑能實現(xiàn)自動分屑，其切屑形態(tài)如圖9a所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速為110 r/min、切削液壓力為2.5 MPa、切削液流量為250 L/min時，可實現(xiàn)順利排屑，且鉆削過程相對穩(wěn)定，實現(xiàn)長時間的深孔套料加工。當(dāng)進(jìn)給量大于0.22 mm/r時，切屑形態(tài)為擠裂狀切屑，如圖9b，套料過程中出現(xiàn)劇烈的振動，刀具磨損嚴(yán)重，容易造成套料鉆頭出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。

圖9 切屑形態(tài)

4 結(jié)論

通過對TC4鈦合金工件進(jìn)行批量深孔套料加工，可得出如下結(jié)論：

(1)套料加工的軸向力和扭矩要比深孔鉆小，降低了對深孔鉆削機(jī)床的功率要求，因而比其它深孔鉆削方式更經(jīng)濟(jì)。

(2)套料鉆幾何參數(shù)采用γ0= 7°,α0=12°,kr=80°,λs=0°，轉(zhuǎn)速n=110 r/min、進(jìn)給量f=0.2 mm/r、切削液壓力P=2.5 MPa、流量Q=250 L/min時，鈦合金深孔套料鉆削過程比較平穩(wěn)，切屑形態(tài)比較好。

(3)鈦合金深孔套料加工所形成的切屑形態(tài)隨著鉆削用量、刀具結(jié)構(gòu)、切削液流量以及鈦合金材料種類的不同而不同，其中進(jìn)給量對切屑形態(tài)影響最大。

(4)在孔徑一定的條件下隨著鉆削長度的增加，切削液的沿程壓力損失較大，為了切屑的有效排出，必須適當(dāng)?shù)脑黾忧邢饕旱膲毫土髁?。在實際加工中，由于冷卻潤滑系統(tǒng)的密封性以及油泵功率的限制，通常采取增加流量Q，來提高加工時的排屑效果。