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航空鈦合金零件深孔鑽削工藝

2016-8-15 來源：沈陽黎明（míng）航空發動機(集團)有限（xiàn）責任公（gōng）司技作者：潘玉良薑雪梅薑（jiāng）瑩

摘要: 針對鈦合金深孔加工技（jì）術難題,采用槍鑽加工某航空鈦合金（jīn）零件的深孔。在深入（rù）分析零件工（gōng）藝特性的基礎上設計了合理（lǐ）的工（gōng）藝方案,改進了鑽削走刀工（gōng）藝路線,並通過工藝試驗驗證（zhèng）了鑽削（xuē）工（gōng）藝參數。結果表明（míng）,在合理製定的工藝方案中,預鑽孔深（shēn）度稍大於2 倍孔直徑的長度可使槍鑽切削滯後於槍鑽加速,有效提高刀具壽命和加工質量;通過優選鑽削工藝參數可提升鈦合（hé）金深孔結構的加（jiā）工效率和精度。

關鍵詞: 航空鈦合金;深孔;槍鑽;鑽削

鈦（tài）合金由於其比強度高、耐（nài）蝕性好、耐熱性高等（děng）特點,在（zài）航（háng）空航天領域得到大量應用,但是鈦（tài）合金的機加性能差成為製約鈦合金應用的技術瓶頸[1 -6] 。鈦合金切削加工特點包括:(1)刀具切屑（xiè）單位接觸麵積上的切削力大,使刃尖（jiān）部位應（yīng）力集中,容易造成刀具磨損或破損;(2)黏刀現象嚴重,容易引起嚴重的黏結磨損;(3)由於刀（dāo）具中的TiN 和TiC 等與被加工的鈦合金（jīn）之間易發生化學反應及熔覆現（xiàn）象,導致（zhì）鈦合金與刀具之間有很強的親和力,以致造成刀具嚴（yán）重磨損[7 -9] ;(4)由於鈦合金具有較強的冷作硬化特性,如果進（jìn）給量（liàng）過小,導致加工道次增加,加劇冷作硬化層對刀具的磨損。因此,鈦合金加工（gōng）過程中應使刀刃的粗糙度盡可能（néng）小,以保證排屑流暢並（bìng）避免崩刃,並盡可能使用導熱性能良好的、強度高的細晶粒鎢鈷類硬質合金刀具,為提高刀具耐用度,應采用較小的前角,後角應比切（qiē）普通鋼的後角大,刀尖采用圓弧過渡刃,刀刃上避免出現尖角[10] 。以（yǐ）往的鈦合金小尺寸（cùn）係列深孔加工通常（cháng）采（cǎi）用接長麻花鑽（zuàn）[11] ,不僅無法（fǎ）實現自（zì）動連續排屑,而且（qiě）冷卻潤滑液難以（yǐ）供入（rù）。每鑽削大約1 ~ 2 倍（bèi）孔（kǒng）徑的深度就必須退刀排屑,不僅加工精度低、表麵粗糙度差,加工效率（lǜ）低、勞動強度大、質（zhì）量難（nán）以保證,而且很容易引起“堵屑”或者折斷鑽頭（tóu）,造成更大的加工困難甚（shèn）至報廢工件。而槍鑽則是一種優質高（gāo）效的深孔鑽削工具,具（jù）有排屑性能好、加（jiā）工（gōng）精度高、加工效率高以及鑽頭壽命長等優點[12 -13] 。因此本文采用槍鑽加工某航空鈦合金零件的（de）深孔,在深入分析該零件（jiàn）加工（gōng）工藝難點的基礎上,合理設計深孔加工工藝方案,選取不同鑽削參數進行鑽削試驗,分析得出鈦（tài）合金（jīn）深孔槍鑽加工最佳工藝參數。

1、某鈦（tài）合金零件深孔工藝性分析

某鈦合金零件設計（jì）有18 個直徑為6 mm、深度為122 mm、公差等級為H9 的孔結構,孔的長徑比超過20。由於鈦合（hé）金具有比強度高、熱強性高（gāo）、耐蝕性好、化學（xué）活性大、導熱性能差和彈性模量小等特點,在（zài）進行深孔鑽削加工時極（jí）易出現燒刀、堵屑、刀（dāo）具磨損快、工件加工硬化以及（jí）深孔的彎曲和（hé）偏斜等問題[14] ,若采用常規鑽頭和（hé）外冷卻機床加工,鑽頭剛性差容易偏擺導致切削失效,同時冷卻液（yè）難以到達切（qiē）削刃部位,切削時鑽頭（tóu）壽命較短（duǎn）且（qiě）極易斷（duàn）裂,所以在方案設計時（shí）選用槍鑽和具有（yǒu）內冷功能的數（shù）控機床進行深孔加工是必要的工藝選擇。

2、鑽削試驗與方案

2． 1　試驗條件

(1)機床:試驗（yàn）用機床為（wéi）具有高壓內冷（lěng）功能的數控機床,控製係統為西門子840D,冷（lěng）卻壓力最高可以達（dá）到80bar,切削液為不含鹵族元素的乳化液;

(2)刀具:試驗用槍鑽為伊斯卡刀（dāo）具製造公司的合金刀具,切削刃部分采用硬質合金材料,其結構如圖1 所示（shì）;

(3)刀柄:選用HSK A 100 ER32 × 100 和ER32 SEAL 15 -16 密封卡簧;

(4)試驗件:材料為TC11,經過固溶和（hé）時（shí）效熱處理,硬度達到（dào）HRC35 ~ 40,規格為（wéi）Φ300 ×180 mm;

(5)裝夾:采用硬三爪卡盤,裝夾壓力45 bar;

(6)粗糙（cāo）度檢（jiǎn）測（cè）儀:檢查孔加（jiā）工表麵（miàn）質量。

圖（tú）1　槍鑽結構示意圖

2． 2　鑽削工藝方案

工藝方案（àn）決定零件具體的加工過程,影響加工效率和加工精度。由於該零件（jiàn）所加工的孔為長徑（jìng）比大於20 的深孔,工藝方案的確定就更加（jiā）重要。槍鑽的（de）使（shǐ）用與普通鑽頭不同,除了預鑽（zuàn）孔要（yào）有嚴格（gé）的要求,切削參數（shù）還得進行精確控製（zhì）,才能既保證質量,又盡可（kě）能縮短加工時間,同時提高刀具的使用壽命。所以要想全麵掌握深孔鑽削加工工（gōng）藝,使（shǐ）槍鑽加工深孔時能夠達到滿意的效果,必須熟練掌握槍鑽加工係（xì）統(包括刀具、機床、夾具、附件、工件、控製單元、冷卻液和操作程序)的性（xìng）能,根據工件的結構（gòu）及工件（jiàn）材料的硬（yìng）度以及槍鑽（zuàn）專機（jī）的工（gōng）作情況和質量要求,選擇適當（dāng）的切（qiē）削速度、進給量、刀具（jù）幾何參數、硬（yìng）質合金牌號（hào）和冷卻液參數[15 -16] 。通過切（qiē）削試驗,摸索加工經驗,不斷積累和改進切（qiē）削（xuē）參數,才可以使工藝方案能夠加工出合格（gé）的產品。本文設計具體鑽削方案如下:

(1)打點:用中心鑽在孔的端麵上預鑽中心點,使鑽（zuàn）削的位置更加精確。由於打點刀具加工深（shēn）度（dù）較小,切削熱很小,排屑相對順暢,采用普通合金中心鑽外（wài）冷就能滿（mǎn）足加工要（yào）求;

(2)預鑽引導孔:用Φ5． 5mm 的鑽頭預（yù）鑽（zuàn）2倍槍鑽直徑深度的孔作為槍鑽加工時的引導孔,由於鑽頭直徑較小（xiǎo）且切削較深,采（cǎi）用內冷合（hé）金鑽頭提高冷卻效率,以保證預鑽孔的加（jiā）工質量;

(3)修正引導（dǎo）孔:用端刃銑刀將引導孔進一步修正,保證引導孔的位置和尺寸符合要求（qiú）,從而使槍鑽在加工時（shí）產生（shēng）自導向;

(4)深孔鑽削:將槍鑽沿引導孔按較低的切削速（sù）度導入預定加工位置,然後高速進行深孔鑽削,完成（chéng）深孔加工並保證設計要求。

2． 3　鑽削參數確定

槍鑽屬於高速切削刀具,雖然每轉進給量（liàng）較低,但其轉速（sù）高,每分鍾進給（gěi）量遠大於麻（má）花鑽[7] 。根據加工經驗和槍鑽合金（jīn）材料的能力,進給量采用適中的0． 03 mm / 轉,試驗低、中、高3 組轉速參數,分別為2 000 轉/ 分鍾、2 500 轉/ 分（fèn）鍾、3 000轉/ 分鍾,換算成每（měi）分鍾進給量則分別為60 mm /分鍾、75 mm / 分鍾和90 mm / 分（fèn）鍾。

2． 4　槍鑽切削程序設計

圖2 是（shì）槍鑽鑽削循環圖,槍（qiāng）鑽（zuàn）先以快速進給方式運動到安全（quán）平麵,再以槍鑽導入進給量運動到槍鑽工作起始平麵(此時槍鑽產生一（yī）定量的切削,但切削（xuē）量很小),再以槍鑽切削進給量進行深孔加工,到達底（dǐ）部後以快速進（jìn）給（gěi）或設定的進給運動到回（huí）退平麵,從而完成一個（gè）孔的鑽削。

圖2　槍鑽鑽削循環圖（tú）(GP - 起始平麵;RFP - 基準平麵;RTP - 退回平麵（miàn）;SDIS - 安全距離;DPR - 相對基（jī）準平麵的（de）鑽削深度)

由於在進行鑽削試驗時,需要反複調整鑽削參數（shù）,若采用一般的G 代碼（mǎ）程序,調整過程較為繁瑣,容易發生誤操作（zuò）。由於該零件每個孔鑽削循環相對固定（dìng）,18 個孔沿圓周均布且十分規律（lǜ）,所以可以采用西門子（zǐ）循環編程指令和高級編程指令簡化編程,用賦（fù）值語句將所有需（xū）要反（fǎn）複調整的切削參數進行參數（shù）化設置（zhì）,從而方便程序的調整。槍鑽試驗（yàn）加工用程序和說明如下:

N0001 R1 =500;;;槍鑽導入（rù）轉速

N0002 R2 =15;;;槍鑽導入進給量

N0003 R3 =3000;;;槍鑽切削轉速

N0004 R4 =90;;;槍鑽切削進給量

N0005 R5 =125/ 2;;;孔的分度圓半徑

N0006 R6 =200;;;退回平麵

N0007 R7 = -122;;;鑽削深度

N0008 R8 = -12;;;槍鑽（zuàn）工作起始平麵

N0009 R9 =360/ 18;;;兩孔間夾角

N0010 R10 =0;;;基準平麵

N0011 R11 =10;;;安全平麵

N0012 R12 =0;;;鑽削起（qǐ）始角度

N0013 TLCH1(" tool" , -90,0);;;調刀命令

N0014 G54

N0015 G94 M3 =3 S3 = R1;;;設置導入轉速

N0016 G0 X1 = R5

N0017 Z1 = R6

N0018 TLZTRANS(R5,R10);;;坐標係轉換

N0019 G0 X1 = 0 Y1 = 0 Z1 = R11 C1 = R6M3 =8 M99;;;高壓冷卻液打開

N0020 Z18HOLES:N0021 G1 Z1 = R10 + 1F3000

N0022 Z1 = R10 +1 F = R3

N0023 G1 Z1 = R8 F = R2;;;槍鑽以R2 進（jìn）給速度導入預鑽孔

N0024 S3 = R3;;;設置槍鑽切削轉速

N0025 G1 Z1 = R7 F = R4;;;槍（qiāng）鑽加工深孔

N0026 S3 = R1

N0027 Z1 =5 F500;;;槍鑽加工（gōng）後退回

N0028 G1 Z1 = R11 F1000

N0029 R12 = R12 - R9

N0030 G1 C1 = R12 F3000

N0031 IF R12 > -360 GOTOB Z18HOLES

N0032 G1 Z1 = R6 F3000 M3 =9

N0033 TLZTRANS(0,0)N0034 M3 =5

N0035 GOHOME

N0036 M30

3、試驗結果分析與改進

經過6 次深孔鑽削試驗,共鑽了（le）108 個孔（kǒng）,消（xiāo）耗（hào）2 把槍鑽,其中切削試驗1、2、3 順次進行,用的是同一把槍（qiāng）鑽,切削試驗4、5、6 順次進行,用的是另一把槍鑽,試驗所用加工參數和試驗結果見表1。對表1 數據進行分析（xī）,鑽削過程主要是槍鑽導入和槍鑽鑽（zuàn）削,隨著導入速度S1、導入進給F1、切削轉速S2 和切削進給F2 的提高,加工時間呈減少趨勢,切削（xuē）試驗2 所用參數最小,加工時間最長,而切削試驗5 所用參數最大,加工時間最短。隨著進給量和切削轉速的增加,切削力也相應（yīng）增大;同一把槍鑽加工過程中（zhōng）,孔的加工數量增加,刀（dāo）具（jù）磨損逐漸加大,切削時刀具的偏擺和切削力（lì）也逐漸（jiàn）增大,所以孔中心的直線度越來越差;而刀具磨損後（hòu）,孔壁的粗糙度值也增（zēng）大。每把槍鑽在加工完最後一組孔後（hòu）,切削刃明顯磨鈍,其表麵出現較明（míng）顯的毛茬（chá）兒和（hé）局部微小崩刃,說明刀具馬上（shàng）就會進入急劇磨損階段,也說明切削參（cān）數的提高對刀具壽命的（de）影響較大。

在前5 個試（shì）驗（yàn）中,程序運行到“N0024”段,刀具轉速迅速由S1 提升至S2 的同時,刀刃部分開始全部（bù）接觸到零件（jiàn）待加工材料,所以瞬間（jiān）對刀具產生衝擊,發出1 秒鍾左右尖銳的（de）切（qiē）削聲音（yīn）,而在鑽速逐漸增大到一定範圍時,在試驗5 中產生（shēng）了崩刃現象。經過分析,如果能將槍鑽加速的時間點和全部接（jiē）觸零件的時間點錯開,使後者稍（shāo）稍延遲（chí）,待完（wán）成加速後再（zài）進行切削,就會避免刀具同時受（shòu）切削力和加速扭力的雙重作用,從而減（jiǎn）小零件對刀具的作用力,降低崩刃的風險,提高刀具的壽命。所以,試驗6 將槍鑽導入運動（dòng）的轉速適當降低的同時,還將預鑽孔（kǒng）和擴孔的深度在2 倍孔徑的基（jī）礎上,增加一個Δ 值(約0． 3 mm),使槍鑽切削被適當延遲(改進的鑽削過程見圖3)。雖然（rán）此時（shí）仍（réng）使用第2 把刀具,但在加速瞬間沒有產生尖銳的切（qiē）削聲音,加工後刀（dāo）具上的（de）崩刃部分未發現增大趨勢。加工後粗糙度變（biàn）化趨（qū）勢明顯,但孔的直線度（dù）變化較小,說明刀具磨鈍（dùn）後對孔的直線度影（yǐng）響較小,對表麵粗糙度影響較大,而刀具產生崩刃（rèn）是（shì）導（dǎo）致刀具壽命降低的主要原（yuán）因。

表1　鑽削試驗數據統計結果

結合以上試驗數據和（hé）分析結（jié）果,應用（yòng）改進後的鑽削循環,綜合考（kǎo）慮質量（liàng）、效（xiào）率和刀具成本,進行了參數改（gǎi）進和二次驗證(驗證結果見（jiàn）表2),僅用一把槍鑽加工了90 個孔,刀具壽命有一定的提高,表麵粗糙度和直線（xiàn）度均滿足要求,切削過程比較順暢（chàng）和平穩,槍鑽加工（gōng）產生（shēng）的切屑(見圖4)95% 以上（shàng）小於3 mm,使用80 bar 壓力的內冷切削液能迅速排出切屑並冷卻刀具和零件（jiàn）,可以滿足零件的（de）優質、高效（xiào）、低消耗（hào）加工需求（qiú）。同時,槍鑽在（zài）第5 組加工中極速磨（mó）損,在正式零件加工時,要將換刀點設置在第（dì）4 組孔加工後。

表（biǎo）2　鑽削驗（yàn）證數據（jù）統計（jì）結果