高強(qiáng)鈦合金小直徑深孔加工工藝*

侯忠海 張光德 杜 濤

(①武漢科技大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，湖北 武漢430081;

②武昌船舶重工有限責(zé)任公司鈦合金工程技術(shù)應(yīng)用研究所，湖北 武漢430063)

鈦及鈦合金的機(jī)械性能好、溶度小、比強(qiáng)度高而又耐腐蝕，在核電、生物醫(yī)藥和化工業(yè)中應(yīng)用廣泛，且在汽車(chē)、航海及航空等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為高新技術(shù)的重要標(biāo)志。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，鈦合金材料的優(yōu)良性能也成為加工時(shí)的難點(diǎn)所在，特別表現(xiàn)在對(duì)其進(jìn)行小直徑深螺紋孔機(jī)械加工的過(guò)程中。加之鈦合金裝備制造及工程應(yīng)用是新興產(chǎn)業(yè)，缺乏這方面的經(jīng)驗(yàn)，也沒(méi)有相關(guān)的技術(shù)資料可以借鑒，因此有必要尋求高強(qiáng)鈦合金小直徑深螺紋孔成型的技術(shù)方案，并對(duì)工藝進(jìn)行深入研究。

1 鈦合金加工特性分析

1.1 鈦合金性能特點(diǎn)

鈦合金可分為3 種［1］:α 鈦合金，β 鈦合金和α+β鈦合金。α+β 鈦合金，如TC4(Ti－6Al－4V)，此種鈦合金由α 和β 雙相組成，這類(lèi)合金組織穩(wěn)定，高溫變形性能、韌性和塑性較好，能進(jìn)行淬火和時(shí)效處理，使合金強(qiáng)化。鈦合金的性能特點(diǎn)主要表現(xiàn)為彈性模量小且比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性高、化學(xué)活性大且導(dǎo)熱性差［2］。

1.2 鈦合金加工特性

由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，僅是鋼的1/4、鋁及其合金的1/13、鐵的1/5、銅的1/25，因而散熱慢，不利于熱平衡，特別是在鉆孔和攻絲加工過(guò)程中，散熱和冷卻效果很差，在切削區(qū)形成高溫，加工后回彈大，造成鉆頭和絲錐扭矩增大，刃口磨損快，耐用度降低。鈦合金切削加工時(shí)溫度高，在600 ℃以上時(shí)，與周?chē)臍怏w發(fā)生化學(xué)反應(yīng);鈦合金的塑性低，特別是當(dāng)和氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，硬度增加，在加工時(shí)，使刀刃容易發(fā)生破損;其彈性模量低［3］，鈦材在室溫下塑性較差，彈性模量隨溫度升高而連續(xù)遞減，彈性變形大提升了鈦的切削加工難度;加工過(guò)程中，粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重［4］。

2 鉆削加工工藝

2.1 鈦合金鉆削加工

在加工過(guò)程中極易出現(xiàn)燒刀、斷鉆及刀具磨損快等問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，重點(diǎn)在鉆頭的材料、幾何參數(shù)和切削參數(shù)等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2.1.1 鉆頭材料

對(duì)切削鈦合金的刀具材料有以下要求:足夠的硬度;足夠的強(qiáng)度和韌性;足夠的耐磨性;刀具材料與鈦合金親和能力要差［5］;在實(shí)際加工試驗(yàn)中，應(yīng)盡可能減小對(duì)鉆頭的傷害，保證加工質(zhì)量。

對(duì)常用的刃具材料W18Cr4V、硬質(zhì)合金(YG8)以及專(zhuān)用材料W2Mo9Cr4VCo8 等制造的鉆頭進(jìn)行切削試驗(yàn)，結(jié)果表明由材料W2Mo9Cr4VCo8 制造的鉆頭加工鈦合金時(shí)刃口鋒利、磨損小，孔壁表面質(zhì)量較高，切屑為帶狀切屑(見(jiàn)圖1)，切削過(guò)程最平穩(wěn);由材料W18Cr4V 制造的鉆頭磨損明顯(見(jiàn)圖2)，產(chǎn)生單元切屑(見(jiàn)圖3)，其切削力波動(dòng)最大;由材料YG8 制造的鉆頭產(chǎn)生擠裂切屑(見(jiàn)圖4)，孔壁質(zhì)量較差。

W2Mo9Cr4VCo8 是高速鋼的一種，該材料制造的鉆頭適合加工鈦合金，與其化學(xué)成分有關(guān)(摩爾比見(jiàn)表1)。該材料含有7.5%～8.5%的金屬元素鈷，鈷能提高紅硬性和熱處理后的硬度，也具有良好的散熱性。因此，在鈦合金切削過(guò)程中，含鈷高速鋼具有高的切削加工性能。

表1 W2Mo9Cr4VCo8 的化學(xué)成分(%)

2.1.2 鉆頭幾何參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆頭鉆削加工鈦合金時(shí)存在許多問(wèn)題，根據(jù)項(xiàng)目攻關(guān)時(shí)的結(jié)論結(jié)合陳思濤［6-7］的觀點(diǎn)，麻花鉆頭鉆削鈦合金的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在:

(1)頂角2φ 小，切削刃長(zhǎng)，使鉆頭扭矩大，軸向抗力也大。同時(shí)，切屑卷曲程度大，切屑所占的空間大，排屑不順暢，影響冷卻。

(2)螺旋角小，螺旋角β 影響主切削刃的前角，螺旋角大，切削輕快。

(3)鉆芯厚度K小，鉆削加工時(shí)鉆頭受扭矩和軸向抗力大，鉆芯厚度小，則強(qiáng)度低，鉆頭易折斷。

鉆頭的各基本參數(shù)見(jiàn)圖5。

為了找出適合鈦合金加工的鉆頭，實(shí)驗(yàn)從鉆頭頂角、螺旋角及鉆芯厚度3 個(gè)方面進(jìn)行了研究。

(1)選擇合適的鉆頭頂角2φ

實(shí)驗(yàn)主要從以下3 個(gè)方面對(duì)頂角進(jìn)行研究改進(jìn):

①當(dāng)鉆頭直徑和進(jìn)給量一定時(shí)，增大頂角，同時(shí)，減小鉆頭刀尖角，刀尖角的磨損速度降低，耐用度上升。

②當(dāng)頂角等于90°時(shí)，軸向截面為主截面。增大頂角2φ，鉆心處的切削得到改善。

③增大頂角，減小切屑卷的螺旋度，容易排出，提高了排屑性能。

通過(guò)分析，在加工鈦合金時(shí)應(yīng)增大鉆頭頂角2φ，其范圍是135°～140°。頂角與切削厚度ac有如下關(guān)系［7］:

(2)選擇合適的鉆頭螺旋角β

鉆頭螺旋角β 直接影響主切削刃前角。β 角增大，前角增大，切削輕快，易于排屑，扭矩和軸向力也小。螺旋計(jì)算公式如下:

式中:d為鉆頭直徑;P為螺旋槽導(dǎo)程。

切削刃上各點(diǎn)β 角是變化的?？拷饩壧帵?角最大，前角也最大，切削刃鋒利，切削性能好;靠近鉆心處β 角最小，切削性能較差，將此處磨成圓弧狀，以改善切削條件。

隨β 角增大，切削刃強(qiáng)度減弱，磨損快，甚至?xí)星邢魅袩龤У痊F(xiàn)象。因此合理選擇β 角，以適合鈦合金鉆削加工。通過(guò)研究，加工鈦合金時(shí)鉆頭的螺旋角β 隨鉆頭直徑的變化見(jiàn)表2。

表2 不同規(guī)格鉆頭的螺旋角

(3)增大鉆芯厚度K

鉆芯厚度小則強(qiáng)度低，鉆削加工鈦合金時(shí)鉆頭承受很大扭矩和軸向反力，小直徑鉆頭，鉆頭易發(fā)生折斷，需增大鉆芯厚度以提高強(qiáng)度。一般刀具鉆芯厚度K與鉆頭直徑d的關(guān)系:

對(duì)于鈦合金一般調(diào)整為［8］:

鉆削速度宜低，以免燒刀，速度過(guò)小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過(guò)快;切削深度可較大，使刀尖在硬化層以下工作，有利于提高刀具耐用度。根據(jù)實(shí)際工況選擇合適直徑的鉆頭，可使鉆頭耐用度提高幾十倍。經(jīng)過(guò)分析，鉆頭直徑與切削用量之間有如表3所示的關(guān)系。

2.1.3 鉆削參數(shù)

鉆削時(shí)，隨著進(jìn)給量改變，切削力不會(huì)顯著變化［9］。在用W2Mo9Cr4VCo8 制造的鉆頭進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)，相同孔徑選用不同切削速度及進(jìn)給量，觀察加工效果及刀具磨損情況，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

表3 鉆頭直徑與切削用量的關(guān)系

刀具進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)后，用對(duì)刀儀檢測(cè)VB(后刀面平均磨損寬度)評(píng)判磨損量。圖6 為實(shí)測(cè)圖，此對(duì)刀儀最大放大系數(shù)為20，通過(guò)投影直觀地觀察磨損部位及磨損量，并數(shù)字顯示實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表4 鉆頭改進(jìn)參數(shù)

在考慮加工平穩(wěn)性、表面質(zhì)量及加工效率并兼顧刀具磨損后，總結(jié)出比較合適高強(qiáng)鈦合金鉆削加工的切削參數(shù)，改進(jìn)方案如表4。

2.2 鈦合金的攻絲加工

鈦合金小直徑深孔攻絲是很困難的，主要原因之一是鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，攻絲時(shí)在加工區(qū)形成高溫，造成鈦合金熱膨脹，且加工后回彈量大，若強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)絲錐將會(huì)使其折斷。

2.2.1 絲錐材料

絲錐材料一般有普通高速鋼、鈷高速鋼、粉末高速鋼和硬質(zhì)合金。試驗(yàn)時(shí)，選用特殊高速鋼(W18Cr4V)和W2Mo9Cr4VCo8 高速鋼材料的絲錐。

2.2.2 絲錐結(jié)構(gòu)形式

絲錐由工作部分和柄部構(gòu)成。對(duì)絲錐有表面預(yù)處理(如TiN、TiCN、CrN 或TiAlN)，這些耐熱光滑的涂層，減小了切削阻力并允許在更高的切削速度下攻絲。

標(biāo)準(zhǔn)絲錐一次切削成形，切削量大，扭矩也大，孔壁熱膨脹和回彈后，絲錐轉(zhuǎn)動(dòng)困難。試驗(yàn)中，將標(biāo)準(zhǔn)絲錐的一次切削加工，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三錐切削，很好地解決了斷屑問(wèn)題，切削輕快，效率得到極大提高。絲錐的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖7，其幾何參數(shù)見(jiàn)表5。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三錐除了在表5 中的幾何參數(shù)中有所區(qū)別外，Ⅰ錐因?yàn)槭穷^攻，頭部增加了導(dǎo)向部分。不同尺寸大小的孔的三錐尺寸按如下方案執(zhí)行:

(1)大徑d:Ⅰ級(jí)絲錐為最終大徑尺寸的95%～97%，Ⅱ級(jí)絲錐為最終大徑尺寸的97%～98%;

(2)中徑d1:Ⅰ級(jí)絲錐為最終大徑尺寸的95.5%～96. 5%，Ⅱ級(jí)絲錐為最終大徑尺寸的97. 5%～98.5%;

(3)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)絲錐中的小徑d2與螺紋底孔一致。

表5 絲錐參數(shù)

2.2.3 螺紋底孔設(shè)計(jì)

螺紋公差帶位置和精度等級(jí)確定后，在滿(mǎn)足內(nèi)螺紋小徑d1公差等級(jí)的情況下，可適當(dāng)加大螺紋底孔直徑，冷卻后螺紋底孔的收縮量能夠抵消這一部分加大量，從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度要求。隨情況改變，螺紋底孔的加大量也不同，根據(jù)分析，最終選擇的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 高強(qiáng)鈦合金螺紋底孔增大量mm

2.3 切削液

切削液是金屬切削加工的重要配套材料。正確選用切削液，可使刀具溫度盡可能保持在恒定溫度，而且可以減少峰值溫的一半，對(duì)刀具有良好的保護(hù)作用［10］;同時(shí)，切削液也可改善金屬切削過(guò)程的界面摩擦情況，減少刀具和切屑的粘結(jié)，抑制積屑瘤和鱗刺的生長(zhǎng)，降低切削溫度，減小工件熱變形，保證加工精度，提高刀具耐用度和生產(chǎn)效率［11］。將大量高壓冷卻潤(rùn)滑劑直接噴向切削刃，這樣冷卻了刀具，也可及時(shí)地把切屑沖出加工區(qū)。

油基切削液的潤(rùn)滑性能較好，冷卻效果較差，水基切削液與油基切削液相比潤(rùn)滑性能相對(duì)較差，冷卻效果較好［12-13］。慢速切削要求切削液的潤(rùn)滑性好，一般來(lái)說(shuō)，切削速度低于30 mm/min 時(shí)使用切削油。為提高散熱速度，宜選用水劑切削液。鉆孔時(shí)，用機(jī)械油加柴油，配比是3 ∶1.5，也可以單獨(dú)采用機(jī)械油及柴油。試驗(yàn)中采用柴油(見(jiàn)圖1、3、4)作為切削液，結(jié)果證明切削效果良好。配取的切削液配比如表7。

由于鈦合金有很高的強(qiáng)度極限，使得加工接觸面積上的壓力和局部溫度更高。對(duì)其進(jìn)行攻絲加工時(shí)使用動(dòng)物脂肪如豬油等，由于脂肪油含有約14%不飽和脂肪酸-亞油酸，有很好的潤(rùn)滑及冷卻作用。實(shí)踐證明，脂肪油極大地降低了攻絲過(guò)程中出現(xiàn)的咝咝聲，且沒(méi)有出現(xiàn)使用機(jī)械油和柴油時(shí)出現(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)費(fèi)力和退出困難的情況，提高了切削效率，延長(zhǎng)了刀具壽命。

表7 切削液的配制及試用

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鈦合金加工特點(diǎn)分析及試驗(yàn)，解決了鈦合金鉆削和攻絲加工工藝難點(diǎn)，并取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果，結(jié)論如下:

(1)W2Mo9Cr4Vo8 材料的鉆頭和絲錐比較適合鈦合金切削加工;

(2)改進(jìn)鉆頭幾何參數(shù)，選取合適的加工參數(shù)，可使螺紋底孔的加工效率顯著提高;

(3)改進(jìn)絲錐結(jié)構(gòu)形式，可使攻絲效果得到明顯的改善;

(4)配制及選用適合鈦合金加工的切削液，可延長(zhǎng)刀具的壽命，提高切削效率。

［1］蔡昆山，付圣林.鈦合金鉆削與攻絲的工藝分析與研究［J］.光電干擾對(duì)抗與無(wú)源干擾，2001(4):32 -39.

［2］劉靜安. 鈦合金的特性與用途［J］. 有色金屬，2002，31(4):1 -10.

［3］魏樹(shù)國(guó)，吳照銀，馬光峰，等. 鈦合金的切削加工性及其改善方法［J］. 工具技術(shù)，2005，39(12):50 -51.

［4］段文森. 鈦及鈦合金管彎頭成形工藝論述［J］.金屬學(xué)報(bào)，2002，38:422 -424.

［5］畢秀國(guó)，卜繁嶺，康健. 鈦合金鉆削加工及其新發(fā)展［J］. 工具技術(shù)，2008，42(12):19 -22.

［6］陳思濤. 加工鈦合金零件的工藝系統(tǒng)的探索［J］. CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2011(1):67 -69.

［7］曹偉. 小鉆頭設(shè)計(jì)與制造的改進(jìn)［J］.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，21(1):110 -112.

［8］何秀梅，洪寶英. 鈦合金的切削加工工藝分析［J］. 航空精密制造技術(shù)，2005，41(6):59 -60.

［9］Shoichi TAMURA，Takashi MATSUMURA，Pedro J ARRAZOLA. Cutting force prediction in drilling of titanium alloy［J］. Journal of Advanced Mechanical Design，Systems and Manufacturing，2012(6):753-763.

［10］孫冰心，龐永俊，柏永清，等.鍍鈦硬質(zhì)合金刀具車(chē)削加切削液的利與弊［J］. 制造技術(shù)與機(jī)床，2010(9):113 -115.

［11］Rui Li，Albert J Shih. Spiral point drill temperature and stress in high-throughput drilling of titanium［J］. International Journal of Machine Tools＆ Manufacture，2007(47):2005 -2017.

［12］孫建國(guó)，劉鎮(zhèn)昌. 論綠色切削液的必要性和可行性［J］.潤(rùn)滑與密封，2001(2):69 -74.

［13］蔡洪浩.環(huán)保型切削液的研制及其工作機(jī)理的研究［D］. 無(wú)錫:江南大學(xué)，2007.