钛合金深盲孔加工

邹峰

湖北三江航天红林探控有限公司 湖北孝感 432009

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，因此被大量应用于航空、航天、医疗、化工及石油管道等零件加工中。钛合金为难切削材料，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、力学性能（见表1）决定了其加工时存在以下技术难题。

表1 钛合金（TC4）物理、力学性能

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，从而使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。

3 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（α＋β）型钛合金，内孔内锥面表面粗糙度值Ra＝0.8μm，内孔18.5mm圆柱度为0.01mm，外圆38mm与内孔16mm的前端锥面关于内孔18.5mm的同轴度为0.02mm，端面φ38mm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

图2 零件尺寸

3.2 加工难点分析

根据零件的尺寸要求加工φ16mm和φ18.5mm内孔锥面、φ24.6mm×24.4mm的内槽以及外部形状是该零件的加工难点。由于φ16mm内孔深度为90mm，长径比为5.6∶1，所以加工该零件时，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，因内孔底部钩槽φ16mm内孔与钩槽直径相差8.6mm，所以无适合的标准刀具，只能设计特殊刀具进行加工，且加工时因切削余量过多，需采用分步加工。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、装夹方式、非标刀具的设计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1mm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）镗制软自定心卡盘，保证同轴度＜φ0.02mm，对零件进行粗钻孔，用φ15mm、φ17.5mm和φ23mm的钻头加工，并使用φ14.9mm平底钻头保证内孔总深度为110.7mm。

4）粗车外圆，使用多功能切槽刀，留0.2mm余量，平端面，粗车内孔，留余量0.2mm。

5）使用自制内钩槽刀对φ26mm×24mm钩槽进行粗加工，留0.2mm余量。

6）精车外圆、内孔、端面以及M26×1.5mm螺纹，这样可以保证φ18mm的内孔与螺纹退刀槽端及零件端面垂直度＜0.02mm，φ18mm内孔与锥面φ38mm外圆的同轴度＜φ0.02mm。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，所以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、自制仿形刀和自制镗孔刀3把刀接力的方式，加工φ26mm×24.4mm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

表3 刀具几何参数

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16mm，导致刀柄直径只能为10mm，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0.5m m，注意保留φ24.6mm×24.4mm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φ24.6mm×24.4mm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110mm，因加工需要，刀柄直径只能为10mm，长径比为11∶1，因此加工时必须采用小切削深度、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，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D1与横向车削处工件直径D2两者会出现一个调试差Δ（见图6），其中Δ/2＝(D1－D2)/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Δ/2。

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。

5.3 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自定心卡盘，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自定心卡盘有以下要求。

1）低碳钢材料制造软自定心卡盘，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。

2）在软自定心卡盘内部夹一个圆柱形垫块，可有效消除软自定心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。

3）内卡软自定心卡盘的外径要略大于工件内径，一般为超出工件内径0.02～0.05mm，这样可以保证卡爪与工件紧密结合，保证夹持的稳定性。

5.4 切削参数

根据零件材料、尺寸精度、表面粗糙度的要求，表面粗糙度计算公式见式（1），以式（1）的计算值为基础，结合刀具手册上推荐的切削参数值，确定了刀具的切削参数见表4。

表4 刀具切削参数

式中，R a为表面粗糙度值（μ m）；f为进给量（mm/r）；rε为刀尖圆弧半径（mm）。

5.5 测量内孔

内孔尺寸及公差为φ18.5+0.02+0mm，表面粗糙度值Ra＝0.8μm，如采用内径百分表和内径三爪千分尺测量，由于人为测量误差较大，并有可能划伤内孔表面，因此，应采用测量精度为0.001mm，以氮气为气源的气动测量仪进行无接触测量，这样既能保证测量精度，也防止划伤内孔表面。

5.6 冷却方式

采用水溶剂极压切削液，对刀杆进行内冷却和对刀座进行外冷却相结合的方式。切削液要有较高的压力和足够的流量，外冷时应使切削液对准刀尖部位，使加工部位得到快速充分冷却，以减小切削热对工件造成的变形影响；内冷时要精确地对准切削刃与工件的接触区间。因此，选择刀具时尽量选择带内冷却孔的刀具，冷却液能直接到达刀具的刀尖部分，使刀具得到充分的冷却。

5.7 排屑问题

由于该零件内孔长径比大，钛合金材料塑性较好，所以切屑容易缠绕在刀杆上，如不及时清理，容易造成内孔表面划伤，甚至损坏刀尖。因此，镗孔时，在半精车、精车的每一个循环完成后应设置暂停，及时清理切屑。

6 数控加工程序设计

数控程序设计流程如图7所示，由工艺路线及程序设计流程编制数控程序。

图7 数控程序设计流程

7 结束语

通过工艺创新，把刀具材料、涂层、几何角度、工件的装夹方式、冷却液的使用以及切削用量等要素结合起来合理选用，总结出一套加工钛合金的切削参数。自制3把刀具接力加工，加工后的零件尺寸精度完全符合设计要求，产品一次交验合格率由原来的70%提高到99%。此工艺方法有效解决了钛合金深盲孔内腔加工中易产生积屑瘤和振纹、表面粗糙度差及尺寸公差不易保证等一系列技术难题。