鈦合金深盲孔加工

鄒峰

湖北三江航天紅林探控有限公司 湖北孝感 432009

1 序言

鈦合金具有比強度高、抗腐蝕性好及熱強度高等特點，因此被大量應用于航空、航天、醫療、化工及石油管道等零件加工中。鈦合金為難切削材料，具有切削效率低、刀具磨損快、排屑困難以及表面質量差等加工難點，成為制約鈦合金類零件加工效率和產品質量的關鍵。通過對典型鈦合金零件加工工藝的研究，有效解決了鈦合金深盲孔內腔類零件車削質量難以保證的技術難題。

2 鈦合金的加工難點和容易產生的問題

鈦合金（TC4）的物理、力學性能（見表1）決定了其加工時存在以下技術難題。

表1 鈦合金（TC4）物理、力學性能

1）鈦合金的彈性模量低，在切削力作用下使零件已加工表面容易產生回彈，從而使刀具切削時產生振動，后刀面磨損加劇，直接影響零件的尺寸精度和表面粗糙度。

2）鈦合金熱導率和比熱容都非常低，造成切削鈦合金時，切屑與刀具前刀面接觸長度短，使切削熱大量（約75%）集中在切削刃附近的小面積內，不易散發，導致這一區域切削溫度過高，加快了刀具的磨損；同時，鈦又是化學親和力極強的元素，容易在加工表面形成加工硬化層，使刀具磨損加快。

3）鈦合金切削時容易與刀具發生粘結，切削溫度高易產生積屑瘤，直接影響零件尺寸及表面粗糙度，甚至可能會引起刀具折斷。

3 鈦合金典型零件分析

3.1 零件介紹

零件的整體三維模型如圖1所示，零件尺寸如圖2所示。該零件為鈦合金深肓孔復雜內腔零件，內腔主要由螺紋、臺階孔、內錐面、內鉤槽和圓角組成。零件材料為TC4（α＋β）型鈦合金，內孔內錐面表面粗糙度值Ra＝0.8μm，內孔18.5mm圓柱度為0.01mm，外圓38mm與內孔16mm的前端錐面關于內孔18.5mm的同軸度為0.02mm，端面φ38mm和M26×1.5mm螺紋退刀槽端面關于內孔18.5mm的垂直度為0.02mm。

圖1 零件整體三維模型

圖2 零件尺寸

3.2 加工難點分析

根據零件的尺寸要求加工φ16mm和φ18.5mm內孔錐面、φ24.6mm×24.4mm的內槽以及外部形狀是該零件的加工難點。由于φ16mm內孔深度為90mm，長徑比為5.6∶1，所以加工該零件時，刀桿懸伸過長，容易產生振動。另外，材料彈性較大、排屑困難、表面質量和尺寸公差均難以保證，且冷卻非常困難，切削時刀具容易磨損、崩刀。同時，因內孔底部鉤槽φ16mm內孔與鉤槽直徑相差8.6mm，所以無適合的標準刀具，只能設計特殊刀具進行加工，且加工時因切削余量過多，需采用分步加工。這些加工難點的存在使得加工過程中刀具的選擇、加工工藝路線、裝夾方式、非標刀具的設計及冷卻方式的選擇等都成為該零件能否加工合格的關鍵。

4 加工工藝過程設計

通過對零件結構及加工難點的分析，制定出以下加工工藝方案。

1）對毛坯零件進行粗加工時，留1mm的加工余量。

2）精車零件最大的外圓作為后序工序的裝夾基準。

3）鏜制軟自定心卡盤，保證同軸度＜φ0.02mm，對零件進行粗鉆孔，用φ15mm、φ17.5mm和φ23mm的鉆頭加工，并使用φ14.9mm平底鉆頭保證內孔總深度為110.7mm。

4）粗車外圓，使用多功能切槽刀，留0.2mm余量，平端面，粗車內孔，留余量0.2mm。

5）使用自制內鉤槽刀對φ26mm×24mm鉤槽進行粗加工，留0.2mm余量。

6）精車外圓、內孔、端面以及M26×1.5mm螺紋，這樣可以保證φ18mm的內孔與螺紋退刀槽端及零件端面垂直度＜0.02mm，φ18mm內孔與錐面φ38mm外圓的同軸度＜φ0.02mm。但加工內孔時，如果使用卡管裝夾應注意：若裝夾全硬質合金刀桿，則必須清理干凈輔助夾具的內孔，防止因有多余物影響刀桿的夾持效果；另外，因為全硬質合金刀桿脆性大，所以裝夾時用力一定要適度，否則容易造成刀桿折斷。

7）使用自制內鉤槽刀、自制仿形刀和自制鏜孔刀3把刀接力的方式，加工φ26mm×24.4mm內槽，并保證槽根部R2mm的要求，完成內腔加工。

5 加工工藝方案設計

5.1 刀具及幾何參數的選擇

根據鈦合金熱導率差、比熱容高、易產生積屑瘤、彈性模量低以及回彈性大的加工難點，為避免被加工零件產生振紋、表面粗糙度差、尺寸公差無法保證，選擇加工刀具時應盡量選擇切削力小、耐磨性好的刀具。最終選擇的刀桿及刀片見表2，刀具幾何參數詳見表3。

表2 刀桿及刀片

表3 刀具幾何參數

5.2 專用刀具的設計

（1）內鉤槽刀 內鉤槽刀刀體為M42材質的高速鋼（見圖3），韌性、耐磨性均優于W18Cr4V的高速鋼，且刀具刃口鋒利。由于刀具懸長為110mm，鉤槽深度為8.6mm，孔徑為16mm，導致刀柄直徑只能為10mm，刃部寬度只能為3mm，如果刃部過寬，就會造成刀具切削力過大，出現折斷現象。同時鉤槽時必須采用臺階式方法加工，即每次進刀比上一次進刀多進0.5m m，注意保留φ24.6mm×24.4mm槽底部R2mm的余量，精加工出12mm長的內槽形狀。再利用數控車床進刀準確的特點，利用自制仿形刀加工出φ24.6mm×24.4mm槽后半部分和R2mm圓角。

圖3 內鉤槽刀

（2）自制內仿形刀 標準外購內仿形刀直徑方向的最大切削深度為6.5mm，工件深度為8.6mm，無法滿足加工需要。同時，由于刀具懸伸量為110mm，因加工需要，刀柄直徑只能為10mm，長徑比為11∶1，因此加工時必須采用小切削深度、大進給方式進行。綜上，需自制內仿形刀桿（見圖4），采用進口外購刀片加工鈦合金零件，既能保證產品的表面質量和尺寸精度，也可以提高刀片壽命和穩定性。使用內仿形刀加工時采取分層切削，后一次比前一次進刀少進給0.1mm，這樣做能有效防止因切屑和積屑瘤的產生而出現刀尖崩碎的情況。

圖4 自制內仿形刀桿

（3）外切槽刀 使用外切槽刀（見圖5）加工外形，看似簡單，但要想保證零件尺寸精度必須要注意，橫向走刀切削時，刀具切削刃與工件軸線之間會有一個副偏角，這個副偏角的大小主要與進給量、切削深度、刀桿頭部懸伸長度、刀片的寬度、零件轉速和工件材質這6種因素有密切關系。因此，在精加工零件時必須考慮直徑補償因素，當外切槽刀沿徑向切槽至工件最終直徑后，再沿軸向橫向走刀，刀片會出現一個副偏角，徑向切槽處工件直徑D1與橫向車削處工件直徑D2兩者會出現一個調試差Δ（見圖6），其中Δ/2＝(D1－D2)/2，必須對外切槽刀進行補償。

圖5 外切槽刀

圖6 調試差

根據計算得出補償值，按以下加工可避免工件表面出現臺階情況。

1）切槽至最終直徑。

2）回退刀具，其距離為Δ/2。

3）進行首件橫向精車前，切記一定要在工件上進行試切削，以確定最終加工尺寸。

5.3 工件的裝夾

工件加工時使用刀具較多，零件需要多次重復裝夾，且鈦合金材料加工時切削力大，為保證零件的同軸度、垂直度和圓柱度，本零件加工使用鋼制未淬火軟自定心卡盤，它有兩個優點：一是可以增加夾持力；二是可以精確定位，重復使用。對于加工裝夾所使用的軟自定心卡盤有以下要求。

1）低碳鋼材料制造軟自定心卡盤，具有強度高，可裝夾高硬度鋼件、鈦合金以及高溫合金等難加工材料的零件，可用于斷續切削等優點。

2）在軟自定心卡盤內部夾一個圓柱形墊塊，可有效消除軟自定心卡盤裝夾工件時因受力大小不一造成的傳動間隙，提高其裝夾精度。

3）內卡軟自定心卡盤的外徑要略大于工件內徑，一般為超出工件內徑0.02～0.05mm，這樣可以保證卡爪與工件緊密結合，保證夾持的穩定性。

5.4 切削參數

根據零件材料、尺寸精度、表面粗糙度的要求，表面粗糙度計算公式見式（1），以式（1）的計算值為基礎，結合刀具手冊上推薦的切削參數值，確定了刀具的切削參數見表4。

表4 刀具切削參數

式中，R a為表面粗糙度值（μ m）；f為進給量（mm/r）；rε為刀尖圓弧半徑（mm）。

5.5 測量內孔

內孔尺寸及公差為φ18.5+0.02+0mm，表面粗糙度值Ra＝0.8μm，如采用內徑百分表和內徑三爪千分尺測量，由于人為測量誤差較大，并有可能劃傷內孔表面，因此，應采用測量精度為0.001mm，以氮氣為氣源的氣動測量儀進行無接觸測量，這樣既能保證測量精度，也防止劃傷內孔表面。

5.6 冷卻方式

采用水溶劑極壓切削液，對刀桿進行內冷卻和對刀座進行外冷卻相結合的方式。切削液要有較高的壓力和足夠的流量，外冷時應使切削液對準刀尖部位，使加工部位得到快速充分冷卻，以減小切削熱對工件造成的變形影響；內冷時要精確地對準切削刃與工件的接觸區間。因此，選擇刀具時盡量選擇帶內冷卻孔的刀具，冷卻液能直接到達刀具的刀尖部分，使刀具得到充分的冷卻。

5.7 排屑問題

由于該零件內孔長徑比大，鈦合金材料塑性較好，所以切屑容易纏繞在刀桿上，如不及時清理，容易造成內孔表面劃傷，甚至損壞刀尖。因此，鏜孔時，在半精車、精車的每一個循環完成后應設置暫停，及時清理切屑。

6 數控加工程序設計

數控程序設計流程如圖7所示，由工藝路線及程序設計流程編制數控程序。

圖7 數控程序設計流程

7 結束語

通過工藝創新，把刀具材料、涂層、幾何角度、工件的裝夾方式、冷卻液的使用以及切削用量等要素結合起來合理選用，總結出一套加工鈦合金的切削參數。自制3把刀具接力加工，加工后的零件尺寸精度完全符合設計要求，產品一次交驗合格率由原來的70%提高到99%。此工藝方法有效解決了鈦合金深盲孔內腔加工中易產生積屑瘤和振紋、表面粗糙度差及尺寸公差不易保證等一系列技術難題。