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Ti－6Al－4V 鈦合金大直徑薄壁螺紋加工技術研究

2018-4-27 來源：中國工程物理研究院（yuàn）材料研（yán）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存在（zài）較大變形，而且中徑值控（kòng）製嚴格、表麵質量要求高的情況，在加工（gōng）刀具和進刀方式優選基礎（chǔ）上，利用力學（xué）分析（xī）和模擬仿真手段完成了工裝的優化設計;通過刀具磨損試驗和切屑形狀研究，確定了適宜的車削加（jiā）工工藝參數組合;利用螺紋中徑的檢測結果對比分析（xī），確定了較優的螺紋檢測手段，加工（gōng）出了合格的螺紋。

關鍵詞: 大直（zhí）徑（jìng）螺紋;力學分析;加工試（shì）驗;中徑檢測

Ti － 6Al － 4V 鈦合金薄（báo）壁管狀零（líng）件如圖 1 所示，零件的螺紋（wén）大徑為 M320，螺距為（wéi） 4 mm，壁厚僅為（wéi）3 mm，徑厚比達（dá）到（dào） 102，而且型麵的尺寸和輪廓精度要求較高，螺紋中徑有尺寸控製要求。Ti － 6Al － 4V 鈦（tài）合金具（jù）有良好的塑性和較強的韌性，且導熱性差，屬於難加工（gōng）材料，薄壁（bì）特點使其在加工（gōng）過程中變形不易控製。

該鈦（tài）合金大直徑螺紋（wén）加工技術尚不成熟，但（dàn）其價格比較昂貴，需要對加（jiā）工工藝進行優（yōu）化研究，保證生產合格率。對於該薄（báo）壁管狀零件螺紋（wén）的（de）車削（xuē）加工，本文從力學分析和模擬仿真（zhēn）的角度出發完成工裝的設（shè）計優化，結合（hé）刀具磨損試驗和切屑形狀研究，獲得了合理的切削參數（shù）組合，並結合螺紋檢測結果選擇了合適的檢測（cè）方法。

1 、進刀方式選（xuǎn）擇（zé）

對於 Ti － 6Al － 4V 鈦合金零件的車削加工，因工件材料具（jù）有良好的塑性，要求刀具有（yǒu）足夠的強度和韌性，螺紋加工采用肯納公司（sī）生產的（de）螺紋車刀 KC5025，特性如表 1 所示。

螺紋車削是一種（zhǒng）成形車削（xuē），由於螺紋車刀與管狀工件成楔形接觸，當（dāng）切削深度增大時，參（cān）與切削的切（qiē）削刃（rèn）長度大幅增加。主切削刃和（hé）副切削刃同時參（cān）與（yǔ）切（qiē）削，工件材料的強塑性特征使得摩擦係數較大，因此該鈦合金管狀外（wài）螺紋加工的車削條件相對較為惡劣。外螺紋車削通常采（cǎi）用以下三種進刀方式( 如圖（tú） 2) :

( 1) 徑向進刀: 進刀方式（shì）簡單，會產生 V 型切屑，控製難（nán）度較大（dà）。

( 2) 側向進（jìn）刀: 單側刃加工，加工刀刃易磨損，使得螺紋牙型精度較差。

( 3) 交替進刀（dāo）: 沿螺紋牙型兩（liǎng）側麵交替進刀，可（kě）提（tí）高刀具壽命，適用於大螺距螺（luó）紋切削，且（qiě）需要在數控機床上進行特定程序設計。在（zài）大直徑螺紋加工的切削（xuē）試驗中，采用了徑向進刀的（de）方式。

該方式在螺紋車削中最常用，其（qí）優點在於:螺紋車刀兩側切削刃所受的軸向切削分力有所抵消，從而可部分地克服車削中因（yīn）軸向切削分力導致的偏斜現象，並能減小螺紋的牙型誤差。缺點在於: 車（chē）刀的兩側切削刃同（tóng）時參加切削，兩麵排出（chū）切屑會擠（jǐ）在一（yī）起，排屑較（jiào）為困難; 同時螺紋車刀的受力和受熱情況較為嚴重，刀尖易磨損; 當吃刀量較大時，容易產生“紮刀”現象，既易損壞刀具又影響螺紋的質量。

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

2 、力學（xué）分析與工裝設計（jì）

該薄壁管狀螺紋車削加工的切削力較大，各方向上的分力不一樣。利用切削（xuē）力在線檢測係統可檢測加工過程中 X、Y、Z 三個方向的分力，示意圖見圖 3，結合有限（xiàn）元仿真分析出（chū）該管狀零件的（de）受力變形情（qíng）況，進而通過工（gōng）裝的優（yōu）化設計改善了工件的裝夾情況。

2． 1 螺（luó）紋車削加工力學分析

利用牌號 KC5025 螺紋車刀（dāo）進行切削時，多次用到（dào）切削深度 0． 3 mm。在（zài）高速切削的情況下，切削熱使的該（gāi）鈦合金工件可能發生較為嚴重的氧化現（xiàn）象，且加（jiā）工過程變得比（bǐ）較困難，因此切削速度小於 60 m/min。利用 Kistler9257B 型（xíng）號的三向測（cè）力儀（yí），得到切深 0． 3 mm，切（qiē）削速度分（fèn）別為 20、30、40、50 m / min 的條件下的切削分力，如（rú）圖 4 所示。

可以說明該工件加工的徑向內部支（zhī）撐作用還不夠。

2． 2 工裝設計優（yōu）化

通過力學檢測和加工變形（xíng）分析得出結論: 該管狀工件的徑向變形較大，在加工過程中需要對內（nèi）部支撐進行加強。在實際車削加工中，螺紋一端直徑的變形量約為 0． 03 mm，對該結論有一定驗證作用。優化後的工裝如圖 6 所（suǒ）示，安裝盤口部為圓錐麵，楔形圓環和壓板一共同作用，使（shǐ）得工件和楔形圓環的接觸狀態較好，能夠保證螺紋加工（gōng）過程中工件徑向受力均勻，且在不（bú）同圓周位置時工件受到楔形圓環的支撐作用。

原有工裝沒有楔（xiē）形圓環和壓板一，安裝盤口部為圓（yuán）柱麵，裝夾時工件和安裝盤直徑難免有（yǒu）一定（dìng）間（jiān）隙，因此會引起（qǐ）殘餘應力和加工（gōng）變形（xíng）。

圖 6 中（zhōng）的工裝很（hěn）好地解決了加工變形問題，工件螺紋一（yī）端（duān）直（zhí）徑變形量減（jiǎn）小為（wéi） 0． 01 mm。

3、螺（luó）紋車削加工試驗

3． 1 刀具磨（mó）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) ，按已確定的徑向進刀量切削一（yī）個完整的螺紋，然後在掃（sǎo）描電鏡下（xià）觀察刀具的磨損。試驗獲得的刀具磨損程度與切削速度的關係見圖 7。

從試驗結果可見，在刀具材料相同的條件下，隨著切（qiē）削速度的提高，刀具磨損迅速增大。螺紋（wén）實際加工過（guò）程中切削速（sù）度為 35 m/min 時，刀具壽命大約為一個工件的螺紋加工時間，而切削速度稍微降低時（shí），刀具壽命得到提升，螺紋表麵質量有一（yī）定提升。對於 Ti－ 6Al － 4V 鈦合（hé）金的螺（luó）紋車削加工，選取（qǔ）切削速度30 m / min較為（wéi）適宜。

3． 2 切屑形狀研究

通過 Ti － 6Al － 4V 鈦合金外螺紋( M320 mm ×4 mm) 的車削試驗，依次選用了吃刀量為 0 ． 75 mm、0． 30 mm、0． 20 mm、0． 15 mm、0． 10 mm、0． 075 mm 等多（duō）次（cì）走刀完成螺紋加工，圖 9 為在不（bú）同吃刀量下的切屑形（xíng）狀。

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

因此（cǐ），該（gāi）管狀工（gōng）件的螺紋加工吃刀量選用原則為:粗加工吃刀量＞ 0． 30 mm，精加工吃刀量＜ 0． 15 mm。通過刀具磨損試（shì）驗和切屑形狀的研（yán）究，確定了該管狀工件螺紋車削（xuē）切（qiē）削參數組合為: 精車切削（xuē）速度 30m / min，吃（chī）刀量為 0． 10 mm，保證了車削（xuē）加工效率的同（tóng）時，提高了（le）螺紋加工表麵質量。

4 、螺紋檢測方法（fǎ）

三針測量時，將（jiāng） 3 根直徑相等、尺寸合適的量（liàng）針放置在（zài）梯形螺（luó）紋兩側（cè）對應的螺旋槽中，用千分尺測量兩邊量針頂（dǐng）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（dà），必須保證量針截麵與梯（tī）形螺紋（wén）牙側相切，量針直徑過小則會使量針陷入（rù）牙槽中。

對於（yú）螺紋牙型角是 60°的（de）梯形螺紋，量針直徑d0的最佳值為 d0= 0． 577，P = 2． 308 mm。

在多件該管狀工件（jiàn）外螺紋加工（gōng）完成後，利用三針+ 外徑千分尺、直徑使用螺紋中徑（jìng）千（qiān）分尺兩種方法（fǎ）進（jìn）行測量，並用高精度三坐標測量機進行複測。其中四組測量結果如表 2 所示。該螺紋檢測（cè）實驗表明（míng）: 三針加外徑千分尺測量的中徑尺寸誤（wù）差（chà）較小，而直接用（yòng）螺紋中徑千分（fèn）尺測量的中（zhōng）徑（jìng）尺寸誤差較大，其（qí）誤差達到 0． 01 mm。因此，選用三針加外（wài）徑千分尺測量的（de）方法較為合理。

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（dé）出以下結論:

( 1) 選用硬度（dù）和韌性兼容的塗層螺紋車刀KC5025，並采用徑向進刀的方（fāng）式進（jìn）刀（dāo）。

( 2) 利用切削力檢測和有限元仿真分析手段，優化了工裝（zhuāng）設計，將螺紋加工過程中（zhōng）直徑變形量（liàng）從 0． 03mm 減小到 0． 01 mm。

( 3) 螺紋車削（xuē）加工適宜切（qiē）削速度為 30 m/min，粗（cū）加工吃刀（dāo）量＞ 0． 30 mm，精加工吃刀量＜ 0． 15 mm。

( 4) 螺紋檢測手段中（zhōng），三針法測量的精度（dù）比直（zhí）接使用（yòng）螺紋中徑千分尺測量的精度高。

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