鈦合金變徑深孔的加工研究

馮亞洲，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)

0 前言

隨著能源、動力、國防、航空航天及運載工具等制造領(lǐng)域?qū)Ω叨搜b備性能的要求越來越高，涌現(xiàn)出大量加工難度大、性能要求嚴(yán)苛的精密復(fù)雜深孔內(nèi)輪廓零件，如航空發(fā)動機及燃?xì)廨啓C低壓渦輪軸、航空航天運載起落架、石油和天然氣隨鉆測井儀器殼體及重型液壓支架等[1-3]。這類零件主要表現(xiàn)為變徑深孔，即兩端小中間大深孔(大肚子深孔)和深孔內(nèi)壁型面(曲面、錐面)，如圖1～3所示[4-6]。由于其結(jié)構(gòu)特殊性，這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的深孔加工已成為深孔鏜削加工的主要難點之一[7,8]。

然而，由于變徑深孔的加工處于封閉或半封閉狀態(tài)，且深孔內(nèi)徑狹小，不易觀察，排屑困難[9-11]，使刀具在徑向進(jìn)給上存在著很大的加工難題。而傳統(tǒng)的深孔加工設(shè)備往往都是整個刀具進(jìn)行徑向進(jìn)給，其徑向進(jìn)給深度較淺，無法實現(xiàn)小口徑以及內(nèi)外孔徑差值較大的變徑孔加工。因此，進(jìn)行深孔內(nèi)壁加工裝置及其徑向進(jìn)給結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究，是解決深孔內(nèi)壁加工的關(guān)鍵問題[12,13]。

為解決這一深孔難加工問題，針對鈦合金變徑深孔的加工，本文開發(fā)設(shè)計了一套深孔變徑刀具(刀具)及其適配的刀具驅(qū)動系統(tǒng)，研究了刀具結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)、幾何參數(shù)和切削用量的合理匹配，并進(jìn)行了鈦合金變徑加工試驗。為鈦合金深孔內(nèi)輪廓加工提供基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)支持，解決了生產(chǎn)中鈦合金變徑深孔零件制造中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，極大的拓展了深孔加工制造零件特殊孔型的功能。

圖1 航空發(fā)動機低壓渦輪軸示意圖

圖2 航空航天運載起落架缸體示意圖

圖3 石油和天然氣隨鉆測井儀器殼體示意圖

1 刀具設(shè)計

結(jié)合鈦合金材料的切削性能和變徑孔的尺寸和結(jié)構(gòu)，本文采用具備拉鏜能力的深孔變徑刀具，其工作原理和三維結(jié)構(gòu)分別如圖4和圖5所示。

圖4 深孔變徑刀具原理圖

圖5 深孔變徑刀具三維結(jié)構(gòu)圖

鏜刀頭與鏜床后鏜桿連接，啟動鏜床時，后鏜桿帶動鏜刀頭進(jìn)行軸向運動；到達(dá)指定的加工位置時，由于芯軸與傳動芯軸連接，通過外部徑向運動控制機構(gòu)控制傳動芯軸，從而帶動芯軸轉(zhuǎn)動使螺旋盤產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。由于卡爪與螺旋盤相配合，當(dāng)螺旋盤轉(zhuǎn)動時，卡爪因螺旋盤的偏心原理做徑向移動，進(jìn)而使卡爪上刀片底座與導(dǎo)向塊底座產(chǎn)生徑向伸縮。根據(jù)加工工藝，該刀具在對深孔內(nèi)壁擴孔時，先加工預(yù)導(dǎo)向孔，并移動鏜刀頭至預(yù)孔處，通過調(diào)節(jié)外部徑向運動控制機構(gòu)使三個卡爪同時伸出至預(yù)孔壁處，進(jìn)行拉鏜。鏜孔完成后，再次調(diào)節(jié)外部徑向運動控制機構(gòu)使三個卡爪同時縮回至鏜刀頭內(nèi)部，再軸向移出到工件外部，從而完成加工。

2 刀具驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

變徑深孔加工的核心是刀尖的徑向進(jìn)給運動和軸向進(jìn)給運動的實現(xiàn)，而要實現(xiàn)進(jìn)給運動，必須具備相應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)[14-17]。結(jié)合刀具的工作原理和結(jié)構(gòu)，設(shè)計了與該刀具適配的刀具驅(qū)動系統(tǒng)，其工作原理如圖6所示。通過驅(qū)動系統(tǒng)來調(diào)節(jié)外部徑向運動控制機構(gòu)，進(jìn)而實現(xiàn)刀片底座和導(dǎo)向塊的徑向進(jìn)給，刀具驅(qū)動系統(tǒng)底部通過在機床上的滑動實現(xiàn)軸向進(jìn)給。最終，通過軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給的聯(lián)動實現(xiàn)變徑深孔的加工。

圖6 刀具系統(tǒng)工作原理

3 鈦合金變徑深孔的加工

加工材料：鈦合金TC4，技術(shù)要求如圖7所示；加工機床為T2110深孔鉆鏜床；加工工藝參數(shù)：切削速度v=50～95 m/min，進(jìn)給量f=0.2～0.4 mm/r；刀具幾何參數(shù)如表1所示；切削液為乳化切削油，流量為150 L/min，壓力為2.5 MPa；采用工件旋轉(zhuǎn)，刀具進(jìn)給的加工方式。變徑深孔的加工過程如圖8所示，加工結(jié)果如圖9所示。

圖7 鈦合金變徑深孔零件圖

表1 刀具幾何參數(shù)

圖8 鈦合金變徑深孔加工過程

圖9 加工后零件的局部剖面圖

4 加工結(jié)果分析

4.1 刀具磨損狀況分析

在變徑深孔的加工過程中，刀具的磨損主要由切削熱及材料的難加工特性造成的[18]。由于變徑深孔零件的長度較長，刀具如果產(chǎn)生較大的磨損，則會在很大程度上影響加工表面質(zhì)量及孔的軸心線偏斜度。劇烈的磨損會使加工被迫中止，需要換刀才可繼續(xù)保持加工，從而使加工效率的降低，所以采用合理的加工工藝參數(shù)十分有必要。本試驗的加工結(jié)果表明，刀具磨損主要集中在刀尖部位，這是由于本試驗所采用的切削速度和進(jìn)給量較大，從而使刀具所受切削力增大，刀具溫度急劇上升等因素所造成的。同時，在加工過程中，刀具整體磨損較輕，驗證了所選加工工藝參數(shù)和刀具幾何參數(shù)的可行性。

4.2 切屑形態(tài)及排屑效果

切屑形態(tài)與切削用量的選取有關(guān)[19]，不同的切削用量會產(chǎn)生不同的切屑形態(tài)。本試驗主要在三種加工藝參數(shù)下進(jìn)行。當(dāng)切削速度v=65 m/min，進(jìn)給量f=0.2 mm/r時，產(chǎn)生了薄、長螺旋卷狀切屑；當(dāng)切削速度v=75 m/min，進(jìn)給量f=0.3 mm/r時，產(chǎn)生了長螺旋卷狀切屑；當(dāng)切削速度v=85 m/min，進(jìn)給量f=0.4 mm/r時，產(chǎn)生了厚、長螺旋卷狀切屑。由此可以發(fā)現(xiàn)，隨著切削速度和進(jìn)給量的增加，切屑越來越厚，但是切屑長度差距并不大，這是由于TC4材料韌性較強，不易斷屑所造成的，由于在鏜削前預(yù)加工出了一段預(yù)導(dǎo)向孔，使切屑可以順利從刀具前端排出，均未發(fā)生堵屑現(xiàn)象。加工過程中的切屑狀態(tài)如圖10所示。

圖10 鈦合金變徑深孔加工的切屑形態(tài)

4.3 軸線偏斜量分析

一般情況下，深孔鏜削相對于深孔鉆削所加工的孔的孔軸心線偏斜量較小[20]。而孔軸心線偏斜量的大小主要取決于預(yù)導(dǎo)向孔的偏斜程度。在本試驗中，通過分段測量壁厚的方法，測量了孔軸心線偏斜量變化，如圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著鏜削深度的增加，偏斜量也逐漸增加，這是由于鏜削深度增加的同時，鏜桿的剛度也逐漸降低導(dǎo)致的。同時，由于鏜桿受到軸向拉力，呈拉伸狀態(tài)，減小了加工中所產(chǎn)生的振動，使孔軸線偏斜量較小，最大偏斜量僅為0.22 mm。

圖11 孔軸線偏斜量變化情況

4.4 表面質(zhì)量分析

分別在鏜削的開始部位和中間部位進(jìn)行粗糙度測量，反復(fù)測量三次。其結(jié)果表現(xiàn)為：鏜削開始部位的粗糙度值比較大，Ra為6.3 ～3.2 μm，這只因為開始部位屬于普通孔和變徑孔的過渡部分，使刀具在邊境過程中產(chǎn)生了較大的振動，從而該部位粗糙度較大；中間部位表面粗糙度Ra為3.2 ～1.6 μm，結(jié)果表現(xiàn)良好，能夠滿足零件的表面質(zhì)量要求。

5 結(jié)束語

(1)變徑深孔加工的核心是深孔變徑刀具和刀具驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計；本文所設(shè)計的深孔變徑刀具及其適配的刀具驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了變徑深孔的加工，同時解決了變徑深孔加工過程中鏜桿剛度低，排屑困難等問題。

(2)鈦合金變徑深孔加工采用工件旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給的加工方式以及前排屑拉鏜的加工方法，大大降低了孔軸心線偏斜量。

(3)在本試驗所選取的加工工藝參數(shù)和刀具幾何參數(shù)條件下，刀具的磨損、切屑形態(tài)及排屑效果和孔軸線偏斜量均較好。