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航空鈦合金零件深孔鉆削工藝

2016-8-15 來源：沈陽黎明航空發(fā)動機(集團(tuán))有限責(zé)任公司技作者：潘玉良姜雪梅姜瑩

摘要: 針對鈦合金深孔加工技術(shù)難題,采用槍鉆加工某航空鈦合金零件的深孔。在深入分析零件工藝特性的基礎(chǔ)上設(shè)計了合理的工藝方案,改進(jìn)了鉆削走刀工藝路線,并通過工藝試驗驗證了鉆削工藝參數(shù)。結(jié)果表明,在合理制定的工藝方案中,預(yù)鉆孔深度稍大于2 倍孔直徑的長度可使槍鉆切削滯后于槍鉆加速,有效提高刀具壽命和加工質(zhì)量;通過優(yōu)選鉆削工藝參數(shù)可提升鈦合金深孔結(jié)構(gòu)的加工效率和精度。

關(guān)鍵詞: 航空鈦合金;深孔;槍鉆;鉆削

鈦合金由于其比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點,在航空航天領(lǐng)域得到大量應(yīng)用,但是鈦合金的機加性能差成為制約鈦合金應(yīng)用的技術(shù)瓶頸[1 -6] 。鈦合金切削加工特點包括:(1)刀具切屑單位接觸面積上的切削力大,使刃尖部位應(yīng)力集中,容易造成刀具磨損或破損;(2)黏刀現(xiàn)象嚴(yán)重,容易引起嚴(yán)重的黏結(jié)磨損;(3)由于刀具中的TiN 和TiC 等與被加工的鈦合金之間易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及熔覆現(xiàn)象,導(dǎo)致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)由于鈦合金具有較強的冷作硬化特性,如果進(jìn)給量過小,導(dǎo)致加工道次增加,加劇冷作硬化層對刀具的磨損。因此,鈦合金加工過程中應(yīng)使刀刃的粗糙度盡可能小,以保證排屑流暢并避免崩刃,并盡可能使用導(dǎo)熱性能良好的、強度高的細(xì)晶粒鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具,為提高刀具耐用度,應(yīng)采用較小的前角,后角應(yīng)比切普通鋼的后角大,刀尖采用圓弧過渡刃,刀刃上避免出現(xiàn)尖角[10] 。以往的鈦合金小尺寸系列深孔加工通常采用接長麻花鉆[11] ,不僅無法實現(xiàn)自動連續(xù)排屑,而且冷卻潤滑液難以供入。每鉆削大約1 ~ 2 倍孔徑的深度就必須退刀排屑,不僅加工精度低、表面粗糙度差,加工效率低、勞動強度大、質(zhì)量難以保證,而且很容易引起“堵屑”或者折斷鉆頭,造成更大的加工困難甚至報廢工件。而槍鉆則是一種優(yōu)質(zhì)高效的深孔鉆削工具,具有排屑性能好、加工精度高、加工效率高以及鉆頭壽命長等優(yōu)點[12 -13] 。因此本文采用槍鉆加工某航空鈦合金零件的深孔,在深入分析該零件加工工藝難點的基礎(chǔ)上,合理設(shè)計深孔加工工藝方案,選取不同鉆削參數(shù)進(jìn)行鉆削試驗,分析得出鈦合金深孔槍鉆加工最佳工藝參數(shù)。

1、某鈦合金零件深孔工藝性分析

某鈦合金零件設(shè)計有18 個直徑為6 mm、深度為122 mm、公差等級為H9 的孔結(jié)構(gòu),孔的長徑比超過20。由于鈦合金具有比強度高、熱強性高、耐蝕性好、化學(xué)活性大、導(dǎo)熱性能差和彈性模量小等特點,在進(jìn)行深孔鉆削加工時極易出現(xiàn)燒刀、堵屑、刀具磨損快、工件加工硬化以及深孔的彎曲和偏斜等問題[14] ,若采用常規(guī)鉆頭和外冷卻機床加工,鉆頭剛性差容易偏擺導(dǎo)致切削失效,同時冷卻液難以到達(dá)切削刃部位,切削時鉆頭壽命較短且極易斷裂,所以在方案設(shè)計時選用槍鉆和具有內(nèi)冷功能的數(shù)控機床進(jìn)行深孔加工是必要的工藝選擇。

2、鉆削試驗與方案

2． 1　試驗條件

(1)機床:試驗用機床為具有高壓內(nèi)冷功能的數(shù)控機床,控制系統(tǒng)為西門子840D,冷卻壓力最高可以達(dá)到80bar,切削液為不含鹵族元素的乳化液;

(2)刀具:試驗用槍鉆為伊斯卡刀具制造公司的合金刀具,切削刃部分采用硬質(zhì)合金材料,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示;

(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(jīng)過固溶和時效熱處理,硬度達(dá)到HRC35 ~ 40,規(guī)格為Φ300 ×180 mm;

(5)裝夾:采用硬三爪卡盤,裝夾壓力45 bar;

(6)粗糙度檢測儀:檢查孔加工表面質(zhì)量。

圖1　槍鉆結(jié)構(gòu)示意圖

2． 2　鉆削工藝方案

工藝方案決定零件具體的加工過程,影響加工效率和加工精度。由于該零件所加工的孔為長徑比大于20 的深孔,工藝方案的確定就更加重要。槍鉆的使用與普通鉆頭不同,除了預(yù)鉆孔要有嚴(yán)格的要求,切削參數(shù)還得進(jìn)行精確控制,才能既保證質(zhì)量,又盡可能縮短加工時間,同時提高刀具的使用壽命。所以要想全面掌握深孔鉆削加工工藝,使槍鉆加工深孔時能夠達(dá)到滿意的效果,必須熟練掌握槍鉆加工系統(tǒng)(包括刀具、機床、夾具、附件、工件、控制單元、冷卻液和操作程序)的性能,根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)及工件材料的硬度以及槍鉆專機的工作情況和質(zhì)量要求,選擇適當(dāng)?shù)那邢魉俣取⑦M(jìn)給量、刀具幾何參數(shù)、硬質(zhì)合金牌號和冷卻液參數(shù)[15 -16] 。通過切削試驗,摸索加工經(jīng)驗,不斷積累和改進(jìn)切削參數(shù),才可以使工藝方案能夠加工出合格的產(chǎn)品。本文設(shè)計具體鉆削方案如下:

(1)打點:用中心鉆在孔的端面上預(yù)鉆中心點,使鉆削的位置更加精確。由于打點刀具加工深度較小,切削熱很小,排屑相對順暢,采用普通合金中心鉆外冷就能滿足加工要求;

(2)預(yù)鉆引導(dǎo)孔:用Φ5． 5mm 的鉆頭預(yù)鉆2倍槍鉆直徑深度的孔作為槍鉆加工時的引導(dǎo)孔,由于鉆頭直徑較小且切削較深,采用內(nèi)冷合金鉆頭提高冷卻效率,以保證預(yù)鉆孔的加工質(zhì)量;

(3)修正引導(dǎo)孔:用端刃銑刀將引導(dǎo)孔進(jìn)一步修正,保證引導(dǎo)孔的位置和尺寸符合要求,從而使槍鉆在加工時產(chǎn)生自導(dǎo)向;

(4)深孔鉆削:將槍鉆沿引導(dǎo)孔按較低的切削速度導(dǎo)入預(yù)定加工位置,然后高速進(jìn)行深孔鉆削,完成深孔加工并保證設(shè)計要求。

2． 3　鉆削參數(shù)確定

槍鉆屬于高速切削刀具,雖然每轉(zhuǎn)進(jìn)給量較低,但其轉(zhuǎn)速高,每分鐘進(jìn)給量遠(yuǎn)大于麻花鉆[7] 。根據(jù)加工經(jīng)驗和槍鉆合金材料的能力,進(jìn)給量采用適中的0． 03 mm / 轉(zhuǎn),試驗低、中、高3 組轉(zhuǎn)速參數(shù),分別為2 000 轉(zhuǎn)/ 分鐘、2 500 轉(zhuǎn)/ 分鐘、3 000轉(zhuǎn)/ 分鐘,換算成每分鐘進(jìn)給量則分別為60 mm /分鐘、75 mm / 分鐘和90 mm / 分鐘。

2． 4　槍鉆切削程序設(shè)計

圖2 是槍鉆鉆削循環(huán)圖,槍鉆先以快速進(jìn)給方式運動到安全平面,再以槍鉆導(dǎo)入進(jìn)給量運動到槍鉆工作起始平面(此時槍鉆產(chǎn)生一定量的切削,但切削量很小),再以槍鉆切削進(jìn)給量進(jìn)行深孔加工,到達(dá)底部后以快速進(jìn)給或設(shè)定的進(jìn)給運動到回退平面,從而完成一個孔的鉆削。

圖2　槍鉆鉆削循環(huán)圖(GP - 起始平面;RFP - 基準(zhǔn)平面;RTP - 退回平面;SDIS - 安全距離;DPR - 相對基準(zhǔn)平面的鉆削深度)

由于在進(jìn)行鉆削試驗時,需要反復(fù)調(diào)整鉆削參數(shù),若采用一般的G 代碼程序,調(diào)整過程較為繁瑣,容易發(fā)生誤操作。由于該零件每個孔鉆削循環(huán)相對固定,18 個孔沿圓周均布且十分規(guī)律,所以可以采用西門子循環(huán)編程指令和高級編程指令簡化編程,用賦值語句將所有需要反復(fù)調(diào)整的切削參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置,從而方便程序的調(diào)整。槍鉆試驗加工用程序和說明如下:

N0001 R1 =500;;;槍鉆導(dǎo)入轉(zhuǎn)速

N0002 R2 =15;;;槍鉆導(dǎo)入進(jìn)給量

N0003 R3 =3000;;;槍鉆切削轉(zhuǎn)速

N0004 R4 =90;;;槍鉆切削進(jìn)給量

N0005 R5 =125/ 2;;;孔的分度圓半徑

N0006 R6 =200;;;退回平面

N0007 R7 = -122;;;鉆削深度

N0008 R8 = -12;;;槍鉆工作起始平面

N0009 R9 =360/ 18;;;兩孔間夾角

N0010 R10 =0;;;基準(zhǔn)平面

N0011 R11 =10;;;安全平面

N0012 R12 =0;;;鉆削起始角度

N0013 TLCH1(" tool" , -90,0);;;調(diào)刀命令

N0014 G54

N0015 G94 M3 =3 S3 = R1;;;設(shè)置導(dǎo)入轉(zhuǎn)速

N0016 G0 X1 = R5

N0017 Z1 = R6

N0018 TLZTRANS(R5,R10);;;坐標(biāo)系轉(zhuǎn)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;;;槍鉆以R2 進(jìn)給速度導(dǎo)入預(yù)鉆孔

N0024 S3 = R3;;;設(shè)置槍鉆切削轉(zhuǎn)速

N0025 G1 Z1 = R7 F = R4;;;槍鉆加工深孔

N0026 S3 = R1

N0027 Z1 =5 F500;;;槍鉆加工后退回

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(jié)果分析與改進(jìn)

經(jīng)過6 次深孔鉆削試驗,共鉆了108 個孔,消耗2 把槍鉆,其中切削試驗1、2、3 順次進(jìn)行,用的是同一把槍鉆,切削試驗4、5、6 順次進(jìn)行,用的是另一把槍鉆,試驗所用加工參數(shù)和試驗結(jié)果見表1。對表1 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,鉆削過程主要是槍鉆導(dǎo)入和槍鉆鉆削,隨著導(dǎo)入速度S1、導(dǎo)入進(jìn)給F1、切削轉(zhuǎn)速S2 和切削進(jìn)給F2 的提高,加工時間呈減少趨勢,切削試驗2 所用參數(shù)最小,加工時間最長,而切削試驗5 所用參數(shù)最大,加工時間最短。隨著進(jìn)給量和切削轉(zhuǎn)速的增加,切削力也相應(yīng)增大;同一把槍鉆加工過程中,孔的加工數(shù)量增加,刀具磨損逐漸加大,切削時刀具的偏擺和切削力也逐漸增大,所以孔中心的直線度越來越差;而刀具磨損后,孔壁的粗糙度值也增大。每把槍鉆在加工完最后一組孔后,切削刃明顯磨鈍,其表面出現(xiàn)較明顯的毛茬兒和局部微小崩刃,說明刀具馬上就會進(jìn)入急劇磨損階段,也說明切削參數(shù)的提高對刀具壽命的影響較大。

在前5 個試驗中,程序運行到“N0024”段,刀具轉(zhuǎn)速迅速由S1 提升至S2 的同時,刀刃部分開始全部接觸到零件待加工材料,所以瞬間對刀具產(chǎn)生沖擊,發(fā)出1 秒鐘左右尖銳的切削聲音,而在鉆速逐漸增大到一定范圍時,在試驗5 中產(chǎn)生了崩刃現(xiàn)象。經(jīng)過分析,如果能將槍鉆加速的時間點和全部接觸零件的時間點錯開,使后者稍稍延遲,待完成加速后再進(jìn)行切削,就會避免刀具同時受切削力和加速扭力的雙重作用,從而減小零件對刀具的作用力,降低崩刃的風(fēng)險,提高刀具的壽命。所以,試驗6 將槍鉆導(dǎo)入運動的轉(zhuǎn)速適當(dāng)降低的同時,還將預(yù)鉆孔和擴孔的深度在2 倍孔徑的基礎(chǔ)上,增加一個Δ 值(約0． 3 mm),使槍鉆切削被適當(dāng)延遲(改進(jìn)的鉆削過程見圖3)。雖然此時仍使用第2 把刀具,但在加速瞬間沒有產(chǎn)生尖銳的切削聲音,加工后刀具上的崩刃部分未發(fā)現(xiàn)增大趨勢。加工后粗糙度變化趨勢明顯,但孔的直線度變化較小,說明刀具磨鈍后對孔的直線度影響較小,對表面粗糙度影響較大,而刀具產(chǎn)生崩刃是導(dǎo)致刀具壽命降低的主要原因。

表1　鉆削試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

結(jié)合以上試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果,應(yīng)用改進(jìn)后的鉆削循環(huán),綜合考慮質(zhì)量、效率和刀具成本,進(jìn)行了參數(shù)改進(jìn)和二次驗證(驗證結(jié)果見表2),僅用一把槍鉆加工了90 個孔,刀具壽命有一定的提高,表面粗糙度和直線度均滿足要求,切削過程比較順暢和平穩(wěn),槍鉆加工產(chǎn)生的切屑(見圖4)95% 以上小于3 mm,使用80 bar 壓力的內(nèi)冷切削液能迅速排出切屑并冷卻刀具和零件,可以滿足零件的優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗加工需求。同時,槍鉆在第5 組加工中極速磨損,在正式零件加工時,要將換刀點設(shè)置在第4 組孔加工后。

表2　鉆削驗證數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果