鈦合金復(fù)合深孔高效精密加工工藝研究*

程海林，郭國(guó)強(qiáng)，蹇 悅，陳 明

(1.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；2.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240 )

0 引言

與一般的孔加工相比，深孔加工處于半封閉狀態(tài)，冷卻潤(rùn)滑和斷屑排屑困難，切削溫度高，且由于刀具剛性差，加工過(guò)程穩(wěn)定性差。因此，深孔加工技術(shù)的研究主要圍繞解決冷卻潤(rùn)滑、斷屑排屑、加工穩(wěn)定性和制孔精度質(zhì)量等問(wèn)題。在眾多深孔加工方法中，BTA系統(tǒng)(內(nèi)排屑深孔鉆)與吸噴鉆系統(tǒng)適用于直徑20mm以上的深孔加工；DF系統(tǒng)提高了排屑效果，但油壓頭的設(shè)計(jì)還不成熟[1]；槍鉆是一種外排屑系統(tǒng)，適合直徑20mm以下的深孔加工，通過(guò)一次走刀加工出具有較高精度的孔[2]。

李保國(guó)等使用普通加工中心研究了對(duì)于3mm和4mm小直徑深孔的槍鉆加工工藝，獲得了槍鉆加工工藝參數(shù)[3]；龍韜等對(duì)硬質(zhì)合金單刃槍鉆加工Ti6Al4V鈦合金深孔開(kāi)展了切削力試驗(yàn)研究，獲得了切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律，優(yōu)化了鈦合金槍鉆的加工工藝參數(shù)[4]；張文強(qiáng)等研究了增長(zhǎng)導(dǎo)向長(zhǎng)度、減小刀具徑向擠壓力、增強(qiáng)薄壁側(cè)剛度等措施來(lái)控制和改善薄壁孔偏斜問(wèn)題的方法[5]。

在航空航天領(lǐng)域，由于結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性和特殊性，存在大量的高精深孔結(jié)構(gòu)，加工難度大，特別是針對(duì)鈦合金等難加工材料、大長(zhǎng)徑比、小直徑孔系，以及復(fù)合階梯形高精度孔的加工，既缺乏有效的專用刀具，又不具備與之適配的高效加工工藝，導(dǎo)致加工精度控制困難，加工效率提升緩慢。

1 零件特征分析

某零件為鈦合金薄板框架結(jié)構(gòu)，外形輪廓尺寸約為400×140mm，整體面型為多角度斜面，為薄型多面體類零件的典型代表。除角度斜面位置，零件基礎(chǔ)部位最薄處厚度為5mm。

該零件底部具有兩組高精度的復(fù)合階梯孔(φ13與φ12、φ7與φ8)，如圖1所示。通過(guò)這些階梯孔實(shí)現(xiàn)零件與舵叉和轉(zhuǎn)軸的裝配，第一組階梯孔的直徑分別為φ13+0.025mm和φ12+0.025mm，階梯孔長(zhǎng)度235mm，長(zhǎng)徑比接近20，第二組階梯孔的直徑分別為φ7+0.02mm和φ8+0.02mm，階梯孔長(zhǎng)度228mm，長(zhǎng)徑比超過(guò)32，根據(jù)圖紙要求，內(nèi)孔表面粗糙度要求Ra1.6μm，對(duì)稱度0.05mm，同軸度0.02mm，精度指標(biāo)要求遠(yuǎn)高于一般孔的加工要求。

從上述技術(shù)指標(biāo)可以看出，兩組臺(tái)階孔無(wú)論是孔徑尺寸、位置尺寸、形位尺寸精度和表面粗糙度都具有較高要求。由于結(jié)構(gòu)限制，該兩組深長(zhǎng)臺(tái)階孔均只能從零件一側(cè)進(jìn)行加工，從而更加增大了加工的難度。針對(duì)該深長(zhǎng)孔的加工，普通的麻花鉆很難保證，只有使用帶內(nèi)冷潤(rùn)滑的、具有良好排屑性能的槍鉆才可以實(shí)現(xiàn)，需在操作過(guò)程中通過(guò)使用導(dǎo)向條或?qū)蚩走M(jìn)行支撐，并利用內(nèi)部油路將切削液輸送至切削區(qū)域?qū)嵭袧?rùn)滑和冷卻，臺(tái)階孔可以利用鉸刀一次性加工至尺寸精度。

圖1 復(fù)合階梯孔技術(shù)要求

2 鉆削仿真分析

該孔系主要使用槍鉆加工，為解決該零件深孔加工，設(shè)計(jì)了專用槍鉆，通過(guò)建立槍鉆的力熱耦合模型，選取合適的切削參數(shù)進(jìn)行仿真，對(duì)加工過(guò)程中的溫度、受力情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，對(duì)于后續(xù)加工試驗(yàn)工藝參數(shù)的設(shè)置以及工藝過(guò)程的控制提供借鑒和參考。由于鉆削過(guò)程的復(fù)雜度，對(duì)其建立溫度模型較為困難，故一般采用有限元仿真進(jìn)行溫度建模[6]。

2.1 仿真環(huán)境設(shè)置

由于槍鉆屬于特殊鉆頭，因此需要三維軟件建模再進(jìn)行模型導(dǎo)入仿真。槍鉆仿真采用Deform-3D軟件[7]。首先在Pro/E中對(duì)槍鉆進(jìn)行三維建模，槍鉆直徑為7mm，在Deform中導(dǎo)入模型，鉆頭的材料設(shè)置為硬質(zhì)合金，涂層為TiAlN。刀具網(wǎng)格共計(jì)劃分24000個(gè)，劃分規(guī)律為刀尖處最密，延伸到刀桿處越來(lái)越疏，這也是最優(yōu)化的劃分網(wǎng)格，因?yàn)橹饕ぷ鲄^(qū)域?yàn)榈都鈪^(qū)域。

工件仿真模型設(shè)置為圓柱形，直徑20mm，厚5mm。共劃分35000個(gè)網(wǎng)格。工件材料設(shè)置為TC4鈦合金。在切削參數(shù)設(shè)置上，切削速度設(shè)定為35m/min，進(jìn)給速度設(shè)定為0.06mm/r。最后進(jìn)行仿真步數(shù)以及刀具磨損模型的設(shè)置，此次仿真共采用3000步，切削深度為2mm。如圖2所示。

(a) 槍鉆鉆頭 (b) 工件 圖2 槍鉆及工件建模及網(wǎng)格劃分

2.2 受力和力矩仿真

由圖3的軸向力、力矩隨時(shí)間變化曲線中可以看出，槍鉆軸向力在加工過(guò)程中逐步增大，最終穩(wěn)定在1000N左右。軸向力在剛開(kāi)始時(shí)有一個(gè)快速的增加，這可能與槍鉆的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)有關(guān)系，但很快軸向力就趨于平穩(wěn)。力矩變化較小，總體也是隨著時(shí)間的增加逐步增加，最終穩(wěn)定在0.5N.m左右。仿真共進(jìn)行0.23s，軸向力和力矩都趨于穩(wěn)定，鉆孔加工進(jìn)入穩(wěn)定階段。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，槍鉆加工軸向力較大，槍鉆剛性差，為有效控制偏斜和制孔精度，應(yīng)采取相應(yīng)的導(dǎo)向措施[8]。

圖3 槍鉆軸向力、力矩隨時(shí)間變化曲線

2.3 切削熱仿真

圖4為槍鉆鉆頭的溫度云圖。圖中分別對(duì)1000步、2000步、3000步3個(gè)階段的溫度分布和變化情況進(jìn)行了仿真，從圖中可以看出，刀具的最高溫度達(dá)到了376℃，并且刀尖處溫度最高，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)榈都馓幠Σ羷×?，而且容易產(chǎn)生熱量積聚，熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā)而迅速升溫。仿真過(guò)程中刀尖的高溫區(qū)域也在不斷地?cái)U(kuò)散，剛開(kāi)始只是在刀尖周圍內(nèi)切削刃、外切削刃一小塊有高溫，且溫度較低，到1000步時(shí)切削刃一半的區(qū)域都達(dá)到100℃左右，當(dāng)?shù)?000步時(shí)，幾乎內(nèi)切削刃和外切削刃的前后刀面的溫度都超過(guò)了150℃。這說(shuō)明鈦合金加工過(guò)程中，熱量聚集很快，鈦合金的散熱性能較差[9]，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度還會(huì)逐漸升高，因此在槍鉆加工過(guò)程中應(yīng)使用內(nèi)冷切削液對(duì)鉆頭區(qū)域進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。

(a) 1000步 (b) 2000步 (c) 3000步 圖4 槍鉆鉆頭溫度云圖

3 復(fù)合深孔加工工藝方案

根據(jù)該零件特點(diǎn)，制定了采用深孔槍鉆加工工藝方案，為控制深孔加工中孔軸線偏斜對(duì)加工精度的影響，采用低轉(zhuǎn)速小進(jìn)給的切削方式，合理控制切削參數(shù)，預(yù)鉆高精導(dǎo)向孔提高導(dǎo)向精度，并通過(guò)內(nèi)冷潤(rùn)滑降低切削力減小振動(dòng)等方法[10]。

加工工藝方案首先加工引導(dǎo)孔底孔(預(yù)留0.1mm～0.2mm余量)，然后用鉸刀精加工至尺寸，引導(dǎo)孔的加工要求有好的表面粗糙度、圓度和位置精度，然后用槍鉆直接加工出階梯小孔；再使用麻花鉆擴(kuò)孔，最后使用鉸刀加工階梯大孔，主要工藝流程如圖5所示。

圖5 槍鉆深孔加工工藝流程

本工藝方案中，除φ4定心鉆為標(biāo)準(zhǔn)定心鉆頭外，其余深孔鉆及鉸刀均需進(jìn)行非標(biāo)定制，本工藝方案中使用到的刀具見(jiàn)表1。

表1 深孔加工刀具列表

圖6 加工中心槍鉆加工

在加工工藝系統(tǒng)的選擇上，既要保證可靠的裝夾、冷卻潤(rùn)滑條件，又要精確控制刀具的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給參數(shù)，本次試驗(yàn)加工中心選擇德瑪吉五軸加工中心(如圖6)上進(jìn)行，該設(shè)備具有主軸內(nèi)冷功能，內(nèi)冷水壓超過(guò)40bar，可以滿足槍鉆加工的內(nèi)冷水壓要求，為深孔加工提供可靠的冷卻潤(rùn)滑條件，切削液選用油基切削液，以增加潤(rùn)滑作用。

4 加工試驗(yàn)

4.1 加工試驗(yàn)過(guò)程

工序10：定心鉆孔

加工部位：直徑φ7、φ8與φ12、φ13組合孔

加工刀具：硬質(zhì)合金點(diǎn)鉆(直徑4mm)

工序20：鉆引導(dǎo)孔

加工部位：直徑φ7、φ8與φ12、φ13組合孔，引導(dǎo)孔(支撐槍鉆)

加工深度：使用鉆頭的1～2倍徑

加工刀具：硬質(zhì)合金內(nèi)冷鉆頭(直徑6.8mm和直徑11.8mm)

工藝參數(shù)：切削線速度35m/min，進(jìn)給速度0.06mm/r，總切深1.25D。

工序30：鉸引導(dǎo)孔

加工部位：直徑7、8與12、13組合孔

加工深度：使用鉸刀的1～2倍徑

加工刀具：硬質(zhì)合金鉸刀(直徑7mm和直徑12mm)

工藝參數(shù)：切削線速度15m/min，進(jìn)給速度0.04mm/r，切深1.2D。

工序40：鉆深孔

加工部位：φ7+0.02與φ12+0.025深孔

加工刀具：硬質(zhì)合金槍鉆(直徑7mm和直徑12mm)

加工參數(shù)：切削線速度35m/min，進(jìn)給速度0.06mm/r，鉆深至圖紙要求。

工序50：擴(kuò)深孔

加工部位：直徑φ8mm與直徑φ13mm深孔(在鉆好的φ7mm和φ12mm的深孔基礎(chǔ)上)

加工刀具：硬質(zhì)合金麻花鉆(直徑φ7.8mm和直徑φ12.8mm)

工序60：鉸深孔

加工部位：直徑φ8mm與直徑φ13mm深孔(在鉆好的φ7.8mm和φ12.8mm的深孔基礎(chǔ)上)

加工刀具：硬質(zhì)合金鉸刀(直徑φ8mm和直徑φ13mm)

工藝參數(shù)：切削線速度15m/min，進(jìn)給速度0.04mm/r，鉸深至圖紙要求。

4.2 檢驗(yàn)

應(yīng)用該工藝方案對(duì)零件復(fù)合階梯孔進(jìn)行加工試驗(yàn)，試制零件10件，隨機(jī)抽取其中3件進(jìn)行精度檢測(cè)，相關(guān)指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 零件檢測(cè)數(shù)據(jù)表(單位：mm)

通過(guò)上表的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中可以看出，復(fù)合深孔的孔徑尺寸、對(duì)稱度、同軸度以及孔內(nèi)壁的粗糙度均已達(dá)到圖紙要求，檢驗(yàn)合格。

5 總結(jié)

為解決復(fù)合深孔加工難題，采用槍鉆作為主要加工刀具，對(duì)加工過(guò)程和工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)抽檢后發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)孔徑尺寸精度、對(duì)稱度、同軸度以及內(nèi)孔粗糙度等指標(biāo)滿足圖紙要求，驗(yàn)證后該工藝方法具備一定的技術(shù)推廣價(jià)值。但是，實(shí)現(xiàn)復(fù)合深孔的高效精密加工需要在設(shè)備、工具、工藝、控制等方面綜合研究，雖然在刀具及工藝方面開(kāi)展了部分嘗試，取得了一定的效果，但在深孔加工的排屑、斷屑控制，刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面研究還不夠深入，局部技術(shù)的研究很難系統(tǒng)解決問(wèn)題，還需要在后續(xù)研究中不斷深入。