Ti－6Al－4V 鈦合金大直徑（jìng）薄壁螺紋加工技術研究（jiū）-螺紋加工機床網-數控機床市場網

您現在的位置：螺紋加工機（jī）床網> 技術前（qián）沿>Ti－6Al－4V 鈦合金（jīn）大直徑薄壁螺紋加工技術研究

Ti－6Al－4V 鈦合金大直徑（jìng）薄壁螺紋加工（gōng）技術研究

2018-4-27 來源：中國工程物理研究（jiū）院材料（liào）研究所作者：李建軍庹超田黎明

摘要: 針對 Ti－6Al－4V 鈦合金大直徑薄壁螺紋車削加工（gōng）存在較大變形，而且中徑值控製嚴格、表麵質量要（yào）求高的情況（kuàng），在加工（gōng）刀具和進刀方式優選基礎上，利用力學分析和模擬仿真手段完成了工裝的優化設計;通過刀具磨損試（shì）驗（yàn）和切屑形（xíng）狀研究，確定了適宜的車削加工工藝參數組合;利用螺紋中徑的檢測結果（guǒ）對比分析，確定了較優的（de）螺紋檢測手段，加工出了合格的螺紋。

關鍵詞: 大直徑螺紋;力學分析;加工（gōng）試驗;中徑檢測

Ti － 6Al － 4V 鈦合金（jīn）薄壁管狀零件如圖 1 所示，零件（jiàn）的螺紋大徑（jìng）為 M320，螺距為 4 mm，壁厚僅（jǐn）為3 mm，徑厚比達到 102，而且型麵的尺寸和輪廓精度（dù）要求較高，螺紋中徑有尺寸控製要求（qiú）。Ti － 6Al － 4V 鈦（tài）合金具有良（liáng）好的塑性和較強的韌性，且導熱性差，屬於難加工材料，薄壁特點使其在加工過程中變形不（bú）易控製。

該（gāi）鈦合金大直徑（jìng）螺紋（wén）加工技術尚（shàng）不成熟，但其價格比較昂貴，需要（yào）對加工工藝進行優化研究，保證生產合格率。對於該薄壁管狀零件螺紋的車削加（jiā）工，本文從力學分析和模擬仿真的角度出發完成工裝（zhuāng）的設計優化，結合刀具（jù）磨損試驗和切屑形狀研究（jiū），獲得了合理的切削參（cān）數組合，並結合螺紋檢測結果選擇了合適的檢測方法。

1 、進刀方式選擇

對於 Ti － 6Al － 4V 鈦合金零件的車削加工，因工件材（cái）料具有良好的塑性，要求刀（dāo）具有足夠的強度和韌性（xìng），螺紋加工采用肯納公司生產的螺紋車（chē）刀 KC5025，特性如表 1 所示。

螺紋車削是一種成形車削，由於螺紋車刀與管狀工件成楔形接觸，當切（qiē）削深度增大時，參與切削的（de）切削刃長度大（dà）幅增加（jiā）。主切削（xuē）刃（rèn）和副切削刃同時（shí）參與切削，工件材料的強塑性特征（zhēng）使得摩（mó）擦係數較大，因此該鈦合金管狀外螺紋加（jiā）工的車削條件相對較為惡劣。外（wài）螺紋車削通常采用以下三種進刀方式( 如（rú）圖 2) :

( 1) 徑向進刀: 進刀方式簡單，會（huì）產生 V 型切屑，控製難度較大（dà）。

( 2) 側向進刀: 單側刃（rèn）加工，加工刀刃易磨損（sǔn），使得螺紋（wén）牙型精度較差（chà）。

( 3) 交替進刀: 沿螺紋牙型兩（liǎng）側麵交替進刀，可提高刀具壽命，適用於大螺距螺紋切（qiē）削，且（qiě）需要在數控機床上進行特定程序設計。在大（dà）直徑螺紋加工（gōng）的切削試驗中，采用了徑向進（jìn）刀的（de）方式。

該方式在螺紋車削中最常用，其優點（diǎn）在於（yú）:螺紋車刀兩側切削刃所受（shòu）的軸（zhóu）向切削分力（lì）有所抵消，從而可部分地克（kè）服（fú）車削（xuē）中因軸向切削分力導致的偏斜現象（xiàng），並（bìng）能（néng）減小螺紋的牙型誤差。缺點在於: 車（chē）刀的兩側切（qiē）削刃同時（shí）參加切削，兩（liǎng）麵排出切屑會擠在一（yī）起，排屑（xiè）較為困難; 同時螺紋車刀的受力和受熱情況較為嚴重，刀尖（jiān）易磨損; 當吃刀量較（jiào）大時，容易產生“紮刀”現象，既易損壞刀具（jù）又影響螺紋的質量。

因此，在徑向進刀方式的（de）螺紋車削中（zhōng），按照一般的加工工藝原則，吃刀量應逐步遞減，而且針對粗加工（gōng）、半精加、精加（jiā）工進行分階（jiē）段遞（dì）減。由於車刀容易磨損（sǔn），螺紋車削加工中要做到勤測量。

2 、力學分析與（yǔ）工裝設計

該（gāi）薄（báo）壁管狀螺紋車削加工的切削力（lì）較大，各方向上的分力不一樣。利用切削力在線檢測係統可（kě）檢測（cè）加工過程中 X、Y、Z 三個方向的分力，示意圖見圖 3，結合（hé）有限元仿真分析出該管狀零件的受（shòu）力變形情況，進而通過工裝的優化設計（jì）改善了（le）工件的裝夾情況。

2． 1 螺紋（wén）車削加工（gōng）力學分析（xī）

利用牌號（hào） KC5025 螺紋車刀進行切削（xuē）時，多次用到切削深度 0． 3 mm。在（zài）高速切削的情（qíng）況下，切削熱使的該鈦合金工件（jiàn）可能發生（shēng）較為嚴重的氧化現象，且（qiě）加工過（guò）程變得比較困難，因此切（qiē）削速度小於 60 m/min。利用（yòng） Kistler9257B 型號的三向（xiàng）測力儀，得到切深 0． 3 mm，切削（xuē）速度分別為 20、30、40、50 m / min 的條件下的切削分（fèn）力，如圖 4 所示。

可以說明該工（gōng）件加工的徑向內部（bù）支撐作用還不夠。

2． 2 工（gōng）裝設（shè）計（jì）優化

通過力學檢測和加工變形分析得出結論: 該管（guǎn）狀工件的徑（jìng）向變形較大，在加（jiā）工過程中需要對內部支撐進行加強。在實際車削加工中，螺紋一端直徑（jìng）的變形（xíng）量約為 0． 03 mm，對該結論（lùn）有一定（dìng）驗（yàn）證作用（yòng）。優化後的工裝如圖 6 所示，安裝盤口部為圓錐麵，楔形圓環（huán）和壓板（bǎn）一共同（tóng）作（zuò）用，使得工件和楔形圓環的接觸狀（zhuàng）態較（jiào）好，能夠保證螺紋（wén）加工過程中工件（jiàn）徑向受力均勻，且在不同圓周位置時工件受到楔形圓環的支（zhī）撐作用。

原（yuán）有工裝沒有楔形圓環和壓板一，安裝盤口部為圓柱麵，裝夾時工件和安（ān）裝盤直徑（jìng）難免有一定間隙，因（yīn）此會引起殘餘應力和加工（gōng）變形。

圖（tú） 6 中的工裝很（hěn）好地解決（jué）了加工變形問題（tí），工件螺（luó）紋一端直徑變形量減小為 0． 01 mm。

3、螺紋（wén）車削加工試驗

3． 1 刀（dāo）具磨損試驗

分別選用三種不同的切削速（sù）度( 15 m/min，25 m/min，35 m / min) ，按（àn）已確定的徑向進刀量切削一個（gè）完整的螺紋（wén），然後在掃描電鏡下觀察刀具的磨損。試驗獲得（dé）的刀（dāo）具磨損程度（dù）與切削速度的關（guān）係見圖 7。

從試（shì）驗結果可見，在（zài）刀具材料相同的條件下，隨著切削速度的（de）提高，刀具磨損迅速增大。螺紋實際加工過（guò）程（chéng）中（zhōng）切削速度為 35 m/min 時，刀具壽命大約為一個工件的（de）螺紋加工時間，而切削速度稍微降低時，刀具（jù）壽命得（dé）到提升，螺紋表（biǎo）麵質量有一定提升。對於 Ti－ 6Al － 4V 鈦合金的螺紋車削（xuē）加工，選取切削速度30 m / min較為適宜。

3． 2 切屑形狀研究

通過 Ti － 6Al － 4V 鈦（tài）合金外螺紋（wén）( M320 mm ×4 mm) 的車（chē）削試驗，依次選（xuǎn）用了吃刀量為 0 ． 75 mm、0． 30 mm、0． 20 mm、0． 15 mm、0． 10 mm、0． 075 mm 等多次走刀完成螺紋加工（gōng），圖 9 為在不同吃刀量下的切屑形狀。

可以看出，隨著進刀次數的增加而吃刀量的減小，切屑的變形量先減小後增大。而且當切屑變形較小時，V 形切屑的兩側出現較大的不（bú）均勻變形。

因此，該（gāi）管狀工件的螺紋（wén）加工吃（chī）刀量選用原則為:粗加工吃刀量（liàng）＞ 0． 30 mm，精加工吃刀量＜ 0． 15 mm。通過刀具磨損試驗和切屑形狀的研究，確定了該管狀工（gōng）件（jiàn）螺紋車削切（qiē）削參數組合為: 精車切削（xuē）速度 30m / min，吃刀量為 0． 10 mm，保證了車削加工效（xiào）率（lǜ）的同時，提高了螺紋加工表麵質量。

4 、螺紋檢測方法

三針（zhēn）測量時，將 3 根直徑相等、尺寸合適的量針放置在梯形螺紋兩側對應的螺旋槽中，用千分尺（chǐ）測量兩邊量針頂點之間的距離 M，再由式( 2) 換算出螺紋中徑值 d2。量針直徑不能過大，必須保證量針截麵與梯形螺紋牙（yá）側相切，量（liàng）針直徑過小則（zé）會使量針陷入牙槽中。

對於螺紋（wén）牙型角是 60°的梯形螺紋，量針直徑d0的最（zuì）佳值為 d0= 0． 577，P = 2． 308 mm。

在多件該管狀工（gōng）件外螺紋加工完成後（hòu），利用（yòng）三針+ 外徑千分尺、直徑使用螺紋中徑千分尺（chǐ）兩（liǎng）種方法進行測量，並用高精度三坐標測（cè）量機進行複測。其（qí）中四組測量結果如表 2 所示（shì）。該（gāi）螺紋檢（jiǎn）測（cè）實驗表明: 三針加外（wài）徑千分尺測量的中徑尺寸誤差較小，而直接（jiē）用螺紋中徑千分尺測量的中徑尺寸誤（wù）差較大，其誤差達（dá）到 0． 01 mm。因此，選用三針加外徑千分尺（chǐ）測量的方法較（jiào）為合理。

5 、結語

通過對 Ti － 6Al － 4V 鈦合金大直徑螺紋加工工藝的研究，得出以下結論:

( 1) 選用硬度和韌性兼容的（de）塗（tú）層螺紋車刀KC5025，並采用徑向進刀（dāo）的方式進刀。

( 2) 利用切（qiē）削力檢測和有限元仿（fǎng）真分析手段，優化了工裝設計，將螺紋（wén）加工過程中直徑變形量從 0． 03mm 減小到 0． 01 mm。

( 3) 螺紋車削加工適宜切削速（sù）度為 30 m/min，粗加工吃刀（dāo）量＞ 0． 30 mm，精加工（gōng）吃刀量（liàng）＜ 0． 15 mm。

( 4) 螺紋檢測手段中，三針法測量的（de）精度比（bǐ）直接使用螺紋中徑千分尺測量的精度高。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業（yè）相關新聞稿件（jiàn）發表，或進行資訊合作（zuò），歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業（yè）界視點

| 更多

行業數據（jù）

| 更（gèng）多

博文選萃

| 更多

數（shù）控機（jī）床（chuáng）