钛合金深盲孔加工.docx

1序言钛合金具有比强度高、抗腐蚀性好及热强度高等特点，因此被大量应用于特殊行业，如航空、航天、医疗、化工及石油管道等零件加工中。钛合金材料为难切削材料，具有切削效率低、刀具磨损快、排屑困难以及表面质量差等加工难点，成为制约钛合金类零件加工效率和产品质量的关键。通过对典型钛合金零件加工工艺的研究，有效解决了钛合金深盲孔内腔类零件车削质量难以保证的技术难题。2钛合金的加工难点和容易产生的问题钛合金（TC4）的物理、机械特性见表1,这决定了其加工时存在以下技术难题。1）钛合金的弹性模量低，在切削力作用下使零件已加工表面容易产生回弹，从而引发刀具切削时产生振动，后刀面磨损加剧，直接影响零件的尺寸精度和表面粗糙度。2）钛合金热导率和比热容都非常低，造成切削钛合金时，切屑与刀具前刀面接触长度短，使切削热大量（约75%）集中在切削刃附近的小面积内，不易散发，导致这一区域切削温度过高，加快了刀具的磨损；同时，钛又是化学亲和力极强的元素，容易在加工表面形成加工硬化层，使刀具磨损加快。3）钛合金切削时容易与刀具发生粘结，切削温度高易产生积屑瘤，直接影响零件尺寸及表面粗糙度，甚至可能会引起刀具折断。表1钛合金（TC4）物理、机械特性密度/(gcB1>弹性模Ift/GPa抗拉强rftW断裂延伸率（%）硬或IIBI比热容/J/(k8K>B*/1/(*K)4.4310900-1180830-10308-153205207.53钛合金典型零件分析3.1零件介绍零件的整体三维模型如图1所示，零件尺寸如图2所示。该零件为钛合金深肓孔复杂内腔零件，内腔主要由螺纹、台阶孔、内锥面、内钩槽和圆角组成。零件材料为TC4（a+）型钛合金，内孔内锥面表面粗糙度值=0.8m,内孔918.5mm圆柱度为0.01mm,外圆38mm与内孔¢16mm的前端锥面关于内孔918.5mm的同轴度为0.02mm,端面娼8mm和M26×1.5mm螺纹退刀槽端面关于内孔¢18.5mm的垂直度为0.02mm。图1零件整体三维模型H9J-X9zns0.1118-or三9/1.±1./Zto0.8¢0.02AI-1.lo024|16.57RaI623，2553.8±0.025763.2加工难点分析37.5图2零件尺寸图2中，加工“6mm和918.5mm内孔锥面、24.6mm×24.4mm的内槽以及外部形状是该零件的加工难点。由于06mm内孔深度为90mm,长径比为5.6：1,所以该零件加工时，刀杆悬伸过长，容易产生振动。另外，材料弹性较大、排屑困难、表面质量和尺寸公差均难以保证，且冷却非常困难，切削时刀具容易磨损、崩刀。同时，内孔底部钩槽因06mm内孔与钩槽直径相差8.6mm,无适合的标准刀具，只能设计特殊刀具进行加工，且加工时因切削余量过多，须采用分步加工。这些加工难点的存在使得加工过程中刀具的选择、加工工艺路线、工艺装夹方式、非标刀具的设计以及冷却方式的选择等都成为该零件能否加工合格的关键。4加工工艺过程设计通过对零件结构及加工难点的分析，制定出以下加工工艺方案：1 ）对毛坯零件进行粗加工时，留Imm的加工余量。2）精车零件最大的外圆作为后序工序的装夹基准。3 ）锋制软三爪卡盘，保证同轴度<8.02mm,对零件进行粗钻孔，用05mm、¢17.5mm和23mm钻头加工，并使用¢14.9mm平底钻头保证内孔总深度为110.7mmo4 ）粗车外圆，使用多功能切槽刀，留02mm余量，平端面，粗车内孔，留余量0.2mm。5）使用自制内钩槽刀对Q26mm24mm钩槽进行粗加工，留0.2mm余量。6）精车外圆、内孔、平端面，M26×1.5mm螺纹，这样可以保证08mm的内孔与螺纹退刀槽端及零件端面垂直度002mm,0!8mm内孔与锥面。38mm外圆的同轴度W02mm.但加工内孔时，如果使用卡管装夹应注意：若装夹全硬质合金刀杆，则必须清理干净辅助夹具的内孔，防止因有多余物影响刀杆的夹持效果，另外，因为全硬质合金刀杆脆性大，装夹时用力一定要适度，否则容易造成刀杆折断。7）使用自制内钩槽刀、自制仿形刀和自制键孔刀3把刀接力的方式，加工。26mm×24mm内槽,并保证槽根部R2mm的要求,完成内腔加工。5加工工艺方案设计5.1 刀具及几何参数的选择根据钛合金热导率差、比热容高、易产生积屑瘤、弹性模量低以及回弹性大的加工难点，为避免被加工零件产生振纹、表面粗糙度差、尺寸公差无法保证，选择加工刀具时应尽量选择切削力小、耐磨性好的刀具，最终选择的刀杆及刀片见表2,刀具几何参数详见表3。表2刀杆及刀片加工部位刀杆名称刀片名称刀具特点MC1.NR2020142CNMG120404FFKC5010（粗加工）全钢制刀杆，刚性好且为负前角刀具，前角为一5°,可承受较大切削力；刀片为硬质合金基体，前角为20°,物理涂层（PVD）为TiAlN,适合硬化材料、低速、断续切削和高进给率加工外圆SC1.CR2020K09CCMT09T302CP200（精加工）全钢制刀杆，刚性好且为正前角刀具，前角为:刀片为硬质合金基体，前角为18。，物理涂层（PVD）为TiAIN+TiN，适合用于钛合金超细颗粒材质的精加工I.F123H25-200BM（多功能切刀）N123H2-4000001CF4125全钢制刀杆，刚性好；刀片为硬质合金基体，前角为7°,物理涂层（PVD）为TiAlN,适合于低速进给，切削轻快，切解控制的非常好，防止切削刃上积屑痛的产生，同时侧边上的WiPer（修光刀）的结构设计，耐磨性好，可加工出非常好的表面质量内孔A12N-SC1.CR09CCMT09T302-F1CP200（粗膛孔）全钢制刀杆，在恩伸长度超过刀杆直径6倍时，刀杆刚性明显不足，刀杆为。1211三网锥结构，带有内冷孔，能有效地使刀尖和零件得到充分冷却，降低切削零件时产生的高温，减缓刀具的磨损，适用于粗镣孔；刀片为硬质合金基体，前角为18°物理涂层（PVD）为TiAlN,刀片锋利,断屑槽容易断屑，且磨性好，适合加工钛合金材料E12QSC1.PR06CPGT060202-HPKC5010（精镣孔）全硬质合金刀杆，前角15°,带内冷却孔，在悬伸长度为刀杆直径78倍时,具有良好的刚性，适用于精镣孔；刀片为硬质合金基体，前角15°,刀片物理涂层（PVD）为TiAlN,抗变形性能强，切削刃锋利，耐磨性好，适合于精镣孔内钩槽刀（自制刀具）高速钢棒选择适合钛合金加工的M42材质，适合于低速加工，刀刃锋利，切削力小内仿形刀（自制刀具）DCMT070202-F1CP200全钢制刀杆，刚性好，且刀杆为正前角；刀片为硬质合金基体，前角为18°,物理涂层（PVD）为TiAIN+TiN,适合于小切为,高进给量加工，韧性、耐磨性好，切削刃锋利内螺纹车刀SNR00131.11IlR1.5ISOCP5OO全钢制刀杆，RiJfIiffi刀片为硬质合金基体，前角为10°,物理涂层（PVD）为TiAIN+TiN,适合于小切深，高进给量加工，韧性、耐磨性好,切削刃锋利螺纹退刀槽刀SNROO131.99NR2.15FGCP500全钢制刀杆，刚性好，刀片为硬质合金基体，前角为IO0,物理涂层（PVD）为TiAlN+TiN.适合于小切深，高进给量加工，韧性、耐磨性好，切削刃锋利表3刀具几何参数刀具名称刀尖半径7mm主偏角前角后角刀片材质外圆粗车刀0.495°20OeKC5010（物理涂层）外圆精车刀0.295°18°7°CP200（物理涂层）内孔粗车刀0.295°18°VCP200（物理涂层）内孔精车刀0.295°15°HoKC5010（物理涂层）多功能切刀0.10°Ile7°CF4125（物理涂层）M24X1.511w内孔镇刀0.295°18°VCP200（物理涂层）内孔钩槽刀0.590°20°18°M42（物理涂层）内仿形刀0.295°18°VCP200（物理涂层）螺纹退刀槽刀00°IOe5CP500（物理涂层）螺纹车刀0.1O010°OoCP500（物理涂层）5.2 专用刀具的设计（1）内钩槽刀内钩槽刀刀体为M42材质的高速钢（见图3）,韧性、耐磨性均优于W18Cr4V的高速钢，且刀具刃口锋利。由于刀具悬长为110mm,钩槽深度为8.6mm,孔径为916mm,导致刀柄直径只能为Iomm,刃部宽度只能为3mm,如果刃部过宽，就会造成刀具切削力过大，出现折断现象。同时钩槽时必须采用台阶式方法加工，即每次进刀比上一次进刀多进0.5mm,注意保留夕24.6mm24.4mm槽底部R2mm的余量，精加工出12mm长的内槽形状。再利用数控车床进刀准确的特点,利用自制仿形刀加工出夕24.6mmx24.4mm槽后半部分和R2mm圆角。图3内钩槽刀(2)自制内仿形刀标准外购内仿形刀直径方向的最大切削深度为6.5mm,工件深度为8.6mm,无法满足加工需要。同时，由于刀具悬伸量为IIOmm,因加工需要，刀柄直径只能为Wmm,长径比为11：1,因此加工时必须采用小切深、大进给方式进行。综上，需自制内仿形刀杆(见图4),采用进口外购刀片加工钛合金零件，既能保证产品的表面质量和尺寸精度，也可以提高刀片寿命和稳定性。使用内仿形刀加工时采取分层切削，后一次比前一次进刀少进给0.1mm,这样做能有效防止因切屑和积屑瘤的产生而出现刀尖崩碎的情况。图4自制内仿形刀杆(3)外切槽刀使用外切槽刀(见图5)加工外形，看似简单，但要想保证零件尺寸精度必须要注意，横向走刀切削时，刀具切削刃与工件轴线之间会有一个副偏角，这个副偏角的大小主要与进给量、切削深度、刀杆头部悬伸长度、刀片的宽度、零件转速和工件材质这6种因素有密切关系。因此，要在精加工零件时必须考虑直径补偿因素，当外切槽刀沿径向切槽至工件最终直径后，再沿轴向横向走刀，刀片会出现一个副偏角，径向切槽处工件直径。1与横向车削处工件直径D2两者会出现一个调试差/(见图6),其中42=(Pi-P2)/2,必须对外切槽刀进行补偿。图5外切槽刀图6调试差根据计算得出补偿值，按以下加工可避免工件表面出现台阶情况：1 ）切槽至最终直径。2 ）回退刀具，其距离为42。3）进行首件横向精车前，切记一定要在工件上进行试切削，以确定最终加工尺寸。3 .3工件的装夹工件加工时使用刀具较多，零件需要多次重复装夹，且钛合金材料加工时切削力大，为保证零件的同轴度、垂直度和圆柱度，本零件加工使用钢制未淬火软三爪卡盘，它有两个优点：一是可以增加夹持力；二是可以精确定位，重复使用。对于加工装夹所使用的软三爪卡盘有以下要求。1）低碳钢材料制造软三爪卡盘，具有强度高，可装夹高硬度钢件、钛合金以及高温合金等难加工材料的零件，可用于断续切削等优点。1.1 ）在软三爪卡盘内部夹一个圆柱形垫块，可有效消除软三爪卡盘装夹工件时因受力大小不一造成的传动间隙，提高其装夹精度。1.2 ）内卡软三爪卡盘的外径要略大