高強鈦合金小直徑深孔加工工藝*

侯忠海 張光德 杜 濤

(①武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢430081;

②武昌船舶重工有限責任公司鈦合金工程技術應用研究所，湖北 武漢430063)

鈦及鈦合金的機械性能好、溶度小、比強度高而又耐腐蝕，在核電、生物醫藥和化工業中應用廣泛，且在汽車、航海及航空等領域的應用已經成為高新技術的重要標志。但在實際應用過程中，鈦合金材料的優良性能也成為加工時的難點所在，特別表現在對其進行小直徑深螺紋孔機械加工的過程中。加之鈦合金裝備制造及工程應用是新興產業，缺乏這方面的經驗，也沒有相關的技術資料可以借鑒，因此有必要尋求高強鈦合金小直徑深螺紋孔成型的技術方案，并對工藝進行深入研究。

1 鈦合金加工特性分析

1.1 鈦合金性能特點

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，這類合金組織穩定，高溫變形性能、韌性和塑性較好，能進行淬火和時效處理，使合金強化。鈦合金的性能特點主要表現為彈性模量小且比強度高、熱強性高、化學活性大且導熱性差［2］。

1.2 鈦合金加工特性

由于鈦合金導熱系數小，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程中，散熱和冷卻效果很差，在切削區形成高溫，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。鈦合金切削加工時溫度高，在600 ℃以上時，與周圍的氣體發生化學反應;鈦合金的塑性低，特別是當和氣體發生化學反應后，硬度增加，在加工時，使刀刃容易發生破損;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遞減，彈性變形大提升了鈦的切削加工難度;加工過程中，粘刀現象嚴重［4］。

2 鉆削加工工藝

2.1 鈦合金鉆削加工

在加工過程中極易出現燒刀、斷鉆及刀具磨損快等問題，為了解決這些問題，重點在鉆頭的材料、幾何參數和切削參數等方面進行了試驗研究。

2.1.1 鉆頭材料

對切削鈦合金的刀具材料有以下要求:足夠的硬度;足夠的強度和韌性;足夠的耐磨性;刀具材料與鈦合金親和能力要差［5］;在實際加工試驗中，應盡可能減小對鉆頭的傷害，保證加工質量。

對常用的刃具材料W18Cr4V、硬質合金(YG8)以及專用材料W2Mo9Cr4VCo8 等制造的鉆頭進行切削試驗，結果表明由材料W2Mo9Cr4VCo8 制造的鉆頭加工鈦合金時刃口鋒利、磨損小，孔壁表面質量較高，切屑為帶狀切屑(見圖1)，切削過程最平穩;由材料W18Cr4V 制造的鉆頭磨損明顯(見圖2)，產生單元切屑(見圖3)，其切削力波動最大;由材料YG8 制造的鉆頭產生擠裂切屑(見圖4)，孔壁質量較差。

W2Mo9Cr4VCo8 是高速鋼的一種，該材料制造的鉆頭適合加工鈦合金，與其化學成分有關(摩爾比見表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，在鈦合金切削過程中，含鈷高速鋼具有高的切削加工性能。

表1 W2Mo9Cr4VCo8 的化學成分(%)

2.1.2 鉆頭幾何參數

標準麻花鉆頭鉆削加工鈦合金時存在許多問題，根據項目攻關時的結論結合陳思濤［6-7］的觀點，麻花鉆頭鉆削鈦合金的難點主要表現在:

(1)頂角2φ 小，切削刃長，使鉆頭扭矩大，軸向抗力也大。同時，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，鉆削加工時鉆頭受扭矩和軸向抗力大，鉆芯厚度小，則強度低，鉆頭易折斷。

鉆頭的各基本參數見圖5。

為了找出適合鈦合金加工的鉆頭，實驗從鉆頭頂角、螺旋角及鉆芯厚度3 個方面進行了研究。

(1)選擇合適的鉆頭頂角2φ

實驗主要從以下3 個方面對頂角進行研究改進:

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

②當頂角等于90°時，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。

通過分析，在加工鈦合金時應增大鉆頭頂角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。螺旋計算公式如下:

式中:d為鉆頭直徑;P為螺旋槽導程。

切削刃上各點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，切削刃強度減弱，磨損快，甚至會有切削刃燒毀等現象。因此合理選擇β 角，以適合鈦合金鉆削加工。通過研究，加工鈦合金時鉆頭的螺旋角β 隨鉆頭直徑的變化見表2。

表2 不同規格鉆頭的螺旋角

(3)增大鉆芯厚度K

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

對于鈦合金一般調整為［8］:

鉆削速度宜低，以免燒刀，速度過小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過快;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。根據實際工況選擇合適直徑的鉆頭，可使鉆頭耐用度提高幾十倍。經過分析，鉆頭直徑與切削用量之間有如表3所示的關系。

2.1.3 鉆削參數

鉆削時，隨著進給量改變，切削力不會顯著變化［9］。在用W2Mo9Cr4VCo8 制造的鉆頭進行切削試驗時，相同孔徑選用不同切削速度及進給量，觀察加工效果及刀具磨損情況，并進行相應調整。

表3 鉆頭直徑與切削用量的關系

刀具進行鉆削實驗后，用對刀儀檢測VB(后刀面平均磨損寬度)評判磨損量。圖6 為實測圖，此對刀儀最大放大系數為20，通過投影直觀地觀察磨損部位及磨損量，并數字顯示實測數據。

表4 鉆頭改進參數

在考慮加工平穩性、表面質量及加工效率并兼顧刀具磨損后，總結出比較合適高強鈦合金鉆削加工的切削參數，改進方案如表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熱系數小，攻絲時在加工區形成高溫，造成鈦合金熱膨脹，且加工后回彈量大，若強行轉動絲錐將會使其折斷。

2.2.1 絲錐材料

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

2.2.2 絲錐結構形式

絲錐由工作部分和柄部構成。對絲錐有表面預處理(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。

標準絲錐一次切削成形，切削量大，扭矩也大，孔壁熱膨脹和回彈后，絲錐轉動困難。試驗中，將標準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題，切削輕快，效率得到極大提高。絲錐的結構形式見圖7，其幾何參數見表5。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三錐除了在表5 中的幾何參數中有所區別外，Ⅰ錐因為是頭攻，頭部增加了導向部分。不同尺寸大小的孔的三錐尺寸按如下方案執行:

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

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

(3)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級絲錐中的小徑d2與螺紋底孔一致。

表5 絲錐參數

2.2.3 螺紋底孔設計

螺紋公差帶位置和精度等級確定后，在滿足內螺紋小徑d1公差等級的情況下，可適當加大螺紋底孔直徑，冷卻后螺紋底孔的收縮量能夠抵消這一部分加大量，從而滿足設計精度要求。隨情況改變，螺紋底孔的加大量也不同，根據分析，最終選擇的具體數據見表6。

表6 高強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，對刀具有良好的保護作用［10］;同時，切削液也可改善金屬切削過程的界面摩擦情況，減少刀具和切屑的粘結，抑制積屑瘤和鱗刺的生長，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效率［11］。將大量高壓冷卻潤滑劑直接噴向切削刃，這樣冷卻了刀具，也可及時地把切屑沖出加工區。

油基切削液的潤滑性能較好，冷卻效果較差，水基切削液與油基切削液相比潤滑性能相對較差，冷卻效果較好［12-13］。慢速切削要求切削液的潤滑性好，一般來說，切削速度低于30 mm/min 時使用切削油。為提高散熱速度，宜選用水劑切削液。鉆孔時，用機械油加柴油，配比是3 ∶1.5，也可以單獨采用機械油及柴油。試驗中采用柴油(見圖1、3、4)作為切削液，結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度極限，使得加工接觸面積上的壓力和局部溫度更高。對其進行攻絲加工時使用動物脂肪如豬油等，由于脂肪油含有約14%不飽和脂肪酸-亞油酸，有很好的潤滑及冷卻作用。實踐證明，脂肪油極大地降低了攻絲過程中出現的咝咝聲，且沒有出現使用機械油和柴油時出現的轉動費力和退出困難的情況，提高了切削效率，延長了刀具壽命。

表7 切削液的配制及試用

3 結論

通過對鈦合金加工特點分析及試驗，解決了鈦合金鉆削和攻絲加工工藝難點，并取得了良好的實際應用效果，結論如下:

(1)W2Mo9Cr4Vo8 材料的鉆頭和絲錐比較適合鈦合金切削加工;

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

(3)改進絲錐結構形式，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，可延長刀具的壽命，提高切削效率。

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