Ti－6Al－4V 鈦合金大直徑薄壁螺紋加工技術研究
2018-4-27 來源：中國工程物理研究院材料研究所 作者：李建軍 庹 超 田黎明
摘 要: 針對 Ti－6Al－4V 鈦合金大直徑薄壁螺紋車削加工存在較大變形，而且中徑值控制嚴格、表面質量要求高的情況，在加工刀具和進刀方式優選基礎上，利用力學分析和模擬仿真手段完成了工裝的優化設計;通過刀具磨損試驗和切屑形狀研究，確定了適宜的車削加工工藝參數組合;利用螺紋中徑的檢測結果對比分析，確定了較優的螺紋檢測手段，加工出了合格的螺紋。
關鍵詞: 大直徑螺紋;力學分析;加工試驗;中徑檢測
Ti － 6Al － 4V 鈦合金薄壁管狀零件如圖 1 所示，零件的螺紋大徑為 M320，螺距為 4 mm，壁厚僅為3 mm，徑厚比達到 102，而且型面的尺寸和輪廓精度要求較高，螺紋中徑有尺寸控制要求。Ti － 6Al － 4V 鈦合金具有良好的塑性和較強的韌性，且導熱性差，屬于難加工材料，薄壁特點使其在加工過程中變形不易控制。
該鈦合金大直徑螺紋加工技術尚不成熟，但其價格比較昂貴，需要對加工工藝進行優化研究，保證生產合格率。對于該薄壁管狀零件螺紋的車削加工，本文從力學分析和模擬仿真的角度出發完成工裝的設計優化，結合刀具磨損試驗和切屑形狀研究，獲得了合理的切削參數組合，并結合螺紋檢測結果選擇了合適的檢測方法。
1 、進刀方式選擇
對于 Ti － 6Al － 4V 鈦合金零件的車削加工，因工件材料具有良好的塑性，要求刀具有足夠的強度和韌性，螺紋加工采用肯納公司生產的螺紋車刀 KC5025，特性如表 1 所示。
螺紋車削是一種成形車削，由于螺紋車刀與管狀工件成楔形接觸，當切削深度增大時，參與切削的切削刃長度大幅增加。主切削刃和副切削刃同時參與切削，工件材料的強塑性特征使得摩擦系數較大，因此該鈦合金管狀外螺紋加工的車削條件相對較為惡劣。外螺紋車削通常采用以下三種進刀方式( 如圖 2) :
( 1) 徑向進刀: 進刀方式簡單，會產生 V 型切屑，控制難度較大。
( 2) 側向進刀: 單側刃加工，加工刀刃易磨損，使得螺紋牙型精度較差。
( 3) 交替進刀: 沿螺紋牙型兩側面交替進刀，可提高刀具壽命，適用于大螺距螺紋切削，且需要在數控機床上進行特定程序設計。在大直徑螺紋加工的切削試驗中，采用了徑向進刀的方式。
該方式在螺紋車削中最常用，其優點在于:螺紋車刀兩側切削刃所受的軸向切削分力有所抵消，從而可部分地克服車削中因軸向切削分力導致的偏斜現象，并能減小螺紋的牙型誤差。缺點在于: 車刀的兩側切削刃同時參加切削，兩面排出切屑會擠在一起，排屑較為困難; 同時螺紋車刀的受力和受熱情況較為嚴重，刀尖易磨損; 當吃刀量較大時，容易產生“扎刀”現象，既易損壞刀具又影響螺紋的質量。
因此，在徑向進刀方式的螺紋車削中，按照一般的加工工藝原則，吃刀量應逐步遞減，而且針對粗加工、半精加、精加工進行分階段遞減。由于車刀容易磨損，螺紋車削加工中要做到勤測量。
2 、力學分析與工裝設計
該薄壁管狀螺紋車削加工的切削力較大，各方向上的分力不一樣。利用切削力在線檢測系統可檢測加工過程中 X、Y、Z 三個方向的分力，示意圖見圖 3，結合有限元仿真分析出該管狀零件的受力變形情況，進而通過工裝的優化設計改善了工件的裝夾情況。
2． 1 螺紋車削加工力學分析
利用牌號 KC5025 螺紋車刀進行切削時，多次用到切削深度 0． 3 mm。在高速切削的情況下，切削熱使的該鈦合金工件可能發生較為嚴重的氧化現象，且加工過程變得比較困難，因此切削速度小于 60 m/min。利用 Kistler9257B 型號的三向測力儀，得到切深 0． 3 mm，切削速度分別為 20、30、40、50 m / min 的條件下的切削分力，如圖 4 所示。
可以說明該工件加工的徑向內部支撐作用還不夠。
2． 2 工裝設計優化
通過力學檢測和加工變形分析得出結論: 該管狀工件的徑向變形較大，在加工過程中需要對內部支撐進行加強。在實際車削加工中，螺紋一端直徑的變形量約為 0． 03 mm，對該結論有一定驗證作用。優化后的工裝如圖 6 所示，安裝盤口部為圓錐面，楔形圓環和壓板一共同作用，使得工件和楔形圓環的接觸狀態較好，能夠保證螺紋加工過程中工件徑向受力均勻，且在不同圓周位置時工件受到楔形圓環的支撐作用。
原有工裝沒有楔形圓環和壓板一，安裝盤口部為圓柱面，裝夾時工件和安裝盤直徑難免有一定間隙，因此會引起殘余應力和加工變形。
圖 6 中的工裝很好地解決了加工變形問題，工件螺紋一端直徑變形量減小為 0． 01 mm。
3、 螺紋車削加工試驗
3． 1 刀具磨損試驗
分別選用三種不同的切削速度( 15 m/min，25 m/min，35 m / min) ，按已確定的徑向進刀量切削一個完整的螺紋，然后在掃描電鏡下觀察刀具的磨損。試驗獲得的刀具磨損程度與切削速度的關系見圖 7。
從試驗結果可見，在刀具材料相同的條件下，隨著切削速度的提高，刀具磨損迅速增大。螺紋實際加工過程中切削速度為 35 m/min 時，刀具壽命大約為一個工件的螺紋加工時間，而切削速度稍微降低時，刀具壽命得到提升，螺紋表面質量有一定提升。對于 Ti－ 6Al － 4V 鈦合金的螺紋車削加工，選取切削速度30 m / min較為適宜。
3． 2 切屑形狀研究
通過 Ti － 6Al － 4V 鈦合金外螺紋( M320 mm ×4 mm) 的車削試驗，依次選用了吃刀量為 0 ． 75 mm、0． 30 mm、0． 20 mm、0． 15 mm、0． 10 mm、0． 075 mm 等多次走刀完成螺紋加工，圖 9 為在不同吃刀量下的切屑形狀。
可以看出，隨著進刀次數的增加而吃刀量的減小，切屑的變形量先減小后增大。而且當切屑變形較小時，V 形切屑的兩側出現較大的不均勻變形。
因此，該管狀工件的螺紋加工吃刀量選用原則為:粗加工吃刀量 ＞ 0． 30 mm，精加工吃刀量 ＜ 0． 15 mm。通過刀具磨損試驗和切屑形狀的研究，確定了該管狀工件螺紋車削切削參數組合為: 精車切削速度 30m / min，吃刀量為 0． 10 mm，保證了車削加工效率的同時，提高了螺紋加工表面質量。
4 、螺紋檢測方法
三針測量時，將 3 根直徑相等、尺寸合適的量針放置在梯形螺紋兩側對應的螺旋槽中，用千分尺測量兩邊量針頂點之間的距離 M，再由式( 2) 換算出螺紋中徑值 d2。量針直徑不能過大，必須保證量針截面與梯形螺紋牙側相切，量針直徑過小則會使量針陷入牙槽中。
對于螺紋牙型角是 60°的梯形螺紋，量針直徑d0的最佳值為 d0= 0． 577，P = 2． 308 mm。
在多件該管狀工件外螺紋加工完成后，利用三針+ 外徑千分尺、直徑使用螺紋中徑千分尺兩種方法進行測量，并用高精度三坐標測量機進行復測。其中四組測量結果如表 2 所示。該螺紋檢測實驗表明: 三針加外徑千分尺測量的中徑尺寸誤差較小，而直接用螺紋中徑千分尺測量的中徑尺寸誤差較大，其誤差達到 0． 01 mm。因此，選用三針加外徑千分尺測量的方法較為合理。
5 、結語
通過對 Ti － 6Al － 4V 鈦合金大直徑螺紋加工工藝的研究，得出以下結論:
( 1) 選 用 硬 度 和 韌 性 兼 容 的 涂 層 螺 紋 車 刀KC5025，并采用徑向進刀的方式進刀。
( 2) 利用切削力檢測和有限元仿真分析手段，優化了工裝設計，將螺紋加工過程中直徑變形量從 0． 03mm 減小到 0． 01 mm。
( 3) 螺紋車削加工適宜切削速度為 30 m/min，粗加工吃刀量 ＞ 0． 30 mm，精加工吃刀量 ＜ 0． 15 mm。
( 4) 螺紋檢測手段中，三針法測量的精度比直接使用螺紋中徑千分尺測量的精度高。
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