钛合金深盲孔加工.docx

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1、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

2、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/(k8KB*/1/(*K)4.4310900-1180830-10308-15320

3、5207.53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M261.5mm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./Zto0.80.02AI-1.lo024|16.57RaI623，25

4、53.80.025763.2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、24.6mm24.4mm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

5、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，M261.5mm螺纹，这样可

6、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。26mm24mm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

7、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+Ti

8、N，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

9、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

10、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

11、角后角刀片材质外圆粗车刀0.49520OeKC5010（物理涂层）外圆精车刀0.295187CP200（物理涂层）内孔粗车刀0.29518VCP200（物理涂层）内孔精车刀0.29515HoKC5010（物理涂层）多功能切刀0.10Ile7CF4125（物理涂层）M24X1.511w内孔镇刀0.29518VCP200（物理涂层）内孔钩槽刀0.5902018M42（物理涂层）内仿形刀0.29518VCP200（物理涂层）螺纹退刀槽刀00IOe5CP500（物理涂层）螺纹车刀0.1O010OoCP500（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

12、、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

13、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

14、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