高强钛合金小直径深孔加工工艺*

侯忠海 张光德 杜 涛

(①武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉430081;

②武昌船舶重工有限责任公司钛合金工程技术应用研究所，湖北 武汉430063)

钛及钛合金的机械性能好、溶度小、比强度高而又耐腐蚀，在核电、生物医药和化工业中应用广泛，且在汽车、航海及航空等领域的应用已经成为高新技术的重要标志。但在实际应用过程中，钛合金材料的优良性能也成为加工时的难点所在，特别表现在对其进行小直径深螺纹孔机械加工的过程中。加之钛合金装备制造及工程应用是新兴产业，缺乏这方面的经验，也没有相关的技术资料可以借鉴，因此有必要寻求高强钛合金小直径深螺纹孔成型的技术方案，并对工艺进行深入研究。

1 钛合金加工特性分析

1.1 钛合金性能特点

钛合金可分为3 种［1］:α 钛合金，β 钛合金和α+β钛合金。α+β 钛合金，如TC4(Ti－6Al－4V)，此种钛合金由α 和β 双相组成，这类合金组织稳定，高温变形性能、韧性和塑性较好，能进行淬火和时效处理，使合金强化。钛合金的性能特点主要表现为弹性模量小且比强度高、热强性高、化学活性大且导热性差［2］。

1.2 钛合金加工特性

由于钛合金导热系数小，仅是钢的1/4、铝及其合金的1/13、铁的1/5、铜的1/25，因而散热慢，不利于热平衡，特别是在钻孔和攻丝加工过程中，散热和冷却效果很差，在切削区形成高温，加工后回弹大，造成钻头和丝锥扭矩增大，刃口磨损快，耐用度降低。钛合金切削加工时温度高，在600 ℃以上时，与周围的气体发生化学反应;钛合金的塑性低，特别是当和气体发生化学反应后，硬度增加，在加工时，使刀刃容易发生破损;其弹性模量低［3］，钛材在室温下塑性较差，弹性模量随温度升高而连续递减，弹性变形大提升了钛的切削加工难度;加工过程中，粘刀现象严重［4］。

2 钻削加工工艺

2.1 钛合金钻削加工

在加工过程中极易出现烧刀、断钻及刀具磨损快等问题，为了解决这些问题，重点在钻头的材料、几何参数和切削参数等方面进行了试验研究。

2.1.1 钻头材料

对切削钛合金的刀具材料有以下要求:足够的硬度;足够的强度和韧性;足够的耐磨性;刀具材料与钛合金亲和能力要差［5］;在实际加工试验中，应尽可能减小对钻头的伤害，保证加工质量。

对常用的刃具材料W18Cr4V、硬质合金(YG8)以及专用材料W2Mo9Cr4VCo8 等制造的钻头进行切削试验，结果表明由材料W2Mo9Cr4VCo8 制造的钻头加工钛合金时刃口锋利、磨损小，孔壁表面质量较高，切屑为带状切屑(见图1)，切削过程最平稳;由材料W18Cr4V 制造的钻头磨损明显(见图2)，产生单元切屑(见图3)，其切削力波动最大;由材料YG8 制造的钻头产生挤裂切屑(见图4)，孔壁质量较差。

W2Mo9Cr4VCo8 是高速钢的一种，该材料制造的钻头适合加工钛合金，与其化学成分有关(摩尔比见表1)。该材料含有7.5%～8.5%的金属元素钴，钴能提高红硬性和热处理后的硬度，也具有良好的散热性。因此，在钛合金切削过程中，含钴高速钢具有高的切削加工性能。

表1 W2Mo9Cr4VCo8 的化学成分(%)

2.1.2 钻头几何参数

标准麻花钻头钻削加工钛合金时存在许多问题，根据项目攻关时的结论结合陈思涛［6-7］的观点，麻花钻头钻削钛合金的难点主要表现在:

(1)顶角2φ 小，切削刃长，使钻头扭矩大，轴向抗力也大。同时，切屑卷曲程度大，切屑所占的空间大，排屑不顺畅，影响冷却。

(2)螺旋角小，螺旋角β 影响主切削刃的前角，螺旋角大，切削轻快。

(3)钻芯厚度K小，钻削加工时钻头受扭矩和轴向抗力大，钻芯厚度小，则强度低，钻头易折断。

钻头的各基本参数见图5。

为了找出适合钛合金加工的钻头，实验从钻头顶角、螺旋角及钻芯厚度3 个方面进行了研究。

(1)选择合适的钻头顶角2φ

实验主要从以下3 个方面对顶角进行研究改进:

①当钻头直径和进给量一定时，增大顶角，同时，减小钻头刀尖角，刀尖角的磨损速度降低，耐用度上升。

②当顶角等于90°时，轴向截面为主截面。增大顶角2φ，钻心处的切削得到改善。

③增大顶角，减小切屑卷的螺旋度，容易排出，提高了排屑性能。

通过分析，在加工钛合金时应增大钻头顶角2φ，其范围是135°～140°。顶角与切削厚度ac有如下关系［7］:

(2)选择合适的钻头螺旋角β

钻头螺旋角β 直接影响主切削刃前角。β 角增大，前角增大，切削轻快，易于排屑，扭矩和轴向力也小。螺旋计算公式如下:

式中:d为钻头直径;P为螺旋槽导程。

切削刃上各点β 角是变化的。靠近外缘处β 角最大，前角也最大，切削刃锋利，切削性能好;靠近钻心处β 角最小，切削性能较差，将此处磨成圆弧状，以改善切削条件。

随β 角增大，切削刃强度减弱，磨损快，甚至会有切削刃烧毁等现象。因此合理选择β 角，以适合钛合金钻削加工。通过研究，加工钛合金时钻头的螺旋角β 随钻头直径的变化见表2。

表2 不同规格钻头的螺旋角

(3)增大钻芯厚度K

钻芯厚度小则强度低，钻削加工钛合金时钻头承受很大扭矩和轴向反力，小直径钻头，钻头易发生折断，需增大钻芯厚度以提高强度。一般刀具钻芯厚度K与钻头直径d的关系:

对于钛合金一般调整为［8］:

钻削速度宜低，以免烧刀，速度过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快;切削深度可较大，使刀尖在硬化层以下工作，有利于提高刀具耐用度。根据实际工况选择合适直径的钻头，可使钻头耐用度提高几十倍。经过分析，钻头直径与切削用量之间有如表3所示的关系。

2.1.3 钻削参数

钻削时，随着进给量改变，切削力不会显著变化［9］。在用W2Mo9Cr4VCo8 制造的钻头进行切削试验时，相同孔径选用不同切削速度及进给量，观察加工效果及刀具磨损情况，并进行相应调整。

表3 钻头直径与切削用量的关系

刀具进行钻削实验后，用对刀仪检测VB(后刀面平均磨损宽度)评判磨损量。图6 为实测图，此对刀仪最大放大系数为20，通过投影直观地观察磨损部位及磨损量，并数字显示实测数据。

表4 钻头改进参数

在考虑加工平稳性、表面质量及加工效率并兼顾刀具磨损后，总结出比较合适高强钛合金钻削加工的切削参数，改进方案如表4。

2.2 钛合金的攻丝加工

钛合金小直径深孔攻丝是很困难的，主要原因之一是钛合金导热系数小，攻丝时在加工区形成高温，造成钛合金热膨胀，且加工后回弹量大，若强行转动丝锥将会使其折断。

2.2.1 丝锥材料

丝锥材料一般有普通高速钢、钴高速钢、粉末高速钢和硬质合金。试验时，选用特殊高速钢(W18Cr4V)和W2Mo9Cr4VCo8 高速钢材料的丝锥。

2.2.2 丝锥结构形式

丝锥由工作部分和柄部构成。对丝锥有表面预处理(如TiN、TiCN、CrN 或TiAlN)，这些耐热光滑的涂层，减小了切削阻力并允许在更高的切削速度下攻丝。

标准丝锥一次切削成形，切削量大，扭矩也大，孔壁热膨胀和回弹后，丝锥转动困难。试验中，将标准丝锥的一次切削加工，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三锥切削，很好地解决了断屑问题，切削轻快，效率得到极大提高。丝锥的结构形式见图7，其几何参数见表5。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三锥除了在表5 中的几何参数中有所区别外，Ⅰ锥因为是头攻，头部增加了导向部分。不同尺寸大小的孔的三锥尺寸按如下方案执行:

(1)大径d:Ⅰ级丝锥为最终大径尺寸的95%～97%，Ⅱ级丝锥为最终大径尺寸的97%～98%;

(2)中径d1:Ⅰ级丝锥为最终大径尺寸的95.5%～96. 5%，Ⅱ级丝锥为最终大径尺寸的97. 5%～98.5%;

(3)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级丝锥中的小径d2与螺纹底孔一致。

表5 丝锥参数

2.2.3 螺纹底孔设计

螺纹公差带位置和精度等级确定后，在满足内螺纹小径d1公差等级的情况下，可适当加大螺纹底孔直径，冷却后螺纹底孔的收缩量能够抵消这一部分加大量，从而满足设计精度要求。随情况改变，螺纹底孔的加大量也不同，根据分析，最终选择的具体数据见表6。

表6 高强钛合金螺纹底孔增大量mm

2.3 切削液

切削液是金属切削加工的重要配套材料。正确选用切削液，可使刀具温度尽可能保持在恒定温度，而且可以减少峰值温的一半，对刀具有良好的保护作用［10］;同时，切削液也可改善金属切削过程的界面摩擦情况，减少刀具和切屑的粘结，抑制积屑瘤和鳞刺的生长，降低切削温度，减小工件热变形，保证加工精度，提高刀具耐用度和生产效率［11］。将大量高压冷却润滑剂直接喷向切削刃，这样冷却了刀具，也可及时地把切屑冲出加工区。

油基切削液的润滑性能较好，冷却效果较差，水基切削液与油基切削液相比润滑性能相对较差，冷却效果较好［12-13］。慢速切削要求切削液的润滑性好，一般来说，切削速度低于30 mm/min 时使用切削油。为提高散热速度，宜选用水剂切削液。钻孔时，用机械油加柴油，配比是3 ∶1.5，也可以单独采用机械油及柴油。试验中采用柴油(见图1、3、4)作为切削液，结果证明切削效果良好。配取的切削液配比如表7。

由于钛合金有很高的强度极限，使得加工接触面积上的压力和局部温度更高。对其进行攻丝加工时使用动物脂肪如猪油等，由于脂肪油含有约14%不饱和脂肪酸-亚油酸，有很好的润滑及冷却作用。实践证明，脂肪油极大地降低了攻丝过程中出现的咝咝声，且没有出现使用机械油和柴油时出现的转动费力和退出困难的情况，提高了切削效率，延长了刀具寿命。

表7 切削液的配制及试用

3 结论

通过对钛合金加工特点分析及试验，解决了钛合金钻削和攻丝加工工艺难点，并取得了良好的实际应用效果，结论如下:

(1)W2Mo9Cr4Vo8 材料的钻头和丝锥比较适合钛合金切削加工;

(2)改进钻头几何参数，选取合适的加工参数，可使螺纹底孔的加工效率显著提高;

(3)改进丝锥结构形式，可使攻丝效果得到明显的改善;

(4)配制及选用适合钛合金加工的切削液，可延长刀具的寿命，提高切削效率。

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