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航空鈦合金零件深孔鉆削工藝

2016-8-15 來源：沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司技作者：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上設計了合理的工藝方案,改進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。結果表明,在合理制定的工藝方案中,預鉆孔深度稍大于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量;通過優選鉆削工藝參數可提升鈦合金深孔結構的加工效率和精度。

關鍵詞: 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,在航空航天領域得到大量應用,但是鈦合金的機加性能差成為制約鈦合金應用的技術瓶頸[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,使刃尖部位應力集中,容易造成刀具磨損或破損;(2)黏刀現象嚴重,容易引起嚴重的黏結磨損;(3)由于刀具中的TiN 和TiC 等與被加工的鈦合金之間易發生化學反應及熔覆現象,導致鈦合金與刀具之間有很強的親和力,以致造成刀具嚴重磨損[7 -9] ;(4)由于鈦合金具有較強的冷作硬化特性,如果進給量過小,導致加工道次增加,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,并盡可能使用導熱性能良好的、強度高的細晶粒鎢鈷類硬質合金刀具,為提高刀具耐用度,應采用較小的前角,后角應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] ,不僅無法實現自動連續排屑,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。而槍鉆則是一種優質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上,合理設計深孔加工工藝方案,選取不同鉆削參數進行鉆削試驗,分析得出鈦合金深孔槍鉆加工最佳工藝參數。

1、某鈦合金零件深孔工藝性分析

某鈦合金零件設計有18 個直徑為6 mm、深度為122 mm、公差等級為H9 的孔結構,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、化學活性大、導熱性能差和彈性模量小等特點,在進行深孔鉆削加工時極易出現燒刀、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] ,若采用常規鉆頭和外冷卻機床加工,鉆頭剛性差容易偏擺導致切削失效,同時冷卻液難以到達切削刃部位,切削時鉆頭壽命較短且極易斷裂,所以在方案設計時選用槍鉆和具有內冷功能的數控機床進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冷功能的數控機床,控制系統為西門子840D,冷卻壓力最高可以達到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合金材料,其結構如圖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,經過固溶和時效熱處理,硬度達到HRC35 ~ 40,規格為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:檢查孔加工表面質量。

圖1　槍鉆結構示意圖

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,除了預鉆孔要有嚴格的要求,切削參數還得進行精確控制,才能既保證質量,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到滿意的效果,必須熟練掌握槍鉆加工系統(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,根據工件的結構及工件材料的硬度以及槍鉆專機的工作情況和質量要求,選擇適當的切削速度、進給量、刀具幾何參數、硬質合金牌號和冷卻液參數[15 -16] 。通過切削試驗,摸索加工經驗,不斷積累和改進切削參數,才可以使工藝方案能夠加工出合格的產品。本文設計具體鉆削方案如下:

(1)打點:用中心鉆在孔的端面上預鉆中心點,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)預鉆引導孔:用Φ5． 5mm 的鉆頭預鉆2倍槍鉆直徑深度的孔作為槍鉆加工時的引導孔,由于鉆頭直徑較小且切削較深,采用內冷合金鉆頭提高冷卻效率,以保證預鉆孔的加工質量;

(3)修正引導孔:用端刃銑刀將引導孔進一步修正,保證引導孔的位置和尺寸符合要求,從而使槍鉆在加工時產生自導向;

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

2． 3　鉆削參數確定

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

2． 4　槍鉆切削程序設計

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

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

由于在進行鉆削試驗時,需要反復調整鉆削參數,若采用一般的G 代碼程序,調整過程較為繁瑣,容易發生誤操作。由于該零件每個孔鉆削循環相對固定,18 個孔沿圓周均布且十分規律,所以可以采用西門子循環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調整的切削參數進行參數化設置,從而方便程序的調整。槍鉆試驗加工用程序和說明如下:

N0001 R1 =500;;;槍鉆導入轉速

N0002 R2 =15;;;槍鉆導入進給量

N0003 R3 =3000;;;槍鉆切削轉速

N0004 R4 =90;;;槍鉆切削進給量

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;;;基準平面

N0011 R11 =10;;;安全平面

N0012 R12 =0;;;鉆削起始角度

N0013 TLCH1(" tool" , -90,0);;;調刀命令

N0014 G54

N0015 G94 M3 =3 S3 = R1;;;設置導入轉速

N0016 G0 X1 = R5

N0017 Z1 = R6

N0018 TLZTRANS(R5,R10);;;坐標系轉換

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 進給速度導入預鉆孔

N0024 S3 = R3;;;設置槍鉆切削轉速

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、試驗結果分析與改進

經過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 順次進行,用的是同一把槍鉆,切削試驗4、5、6 順次進行,用的是另一把槍鉆,試驗所用加工參數和試驗結果見表1。對表1 數據進行分析,鉆削過程主要是槍鉆導入和槍鉆鉆削,隨著導入速度S1、導入進給F1、切削轉速S2 和切削進給F2 的提高,加工時間呈減少趨勢,切削試驗2 所用參數最小,加工時間最長,而切削試驗5 所用參數最大,加工時間最短。隨著進給量和切削轉速的增加,切削力也相應增大;同一把槍鉆加工過程中,孔的加工數量增加,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,其表面出現較明顯的毛茬兒和局部微小崩刃,說明刀具馬上就會進入急劇磨損階段,也說明切削參數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,所以瞬間對刀具產生沖擊,發出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 中產生了崩刃現象。經過分析,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,降低崩刃的風險,提高刀具的壽命。所以,試驗6 將槍鉆導入運動的轉速適當降低的同時,還將預鉆孔和擴孔的深度在2 倍孔徑的基礎上,增加一個Δ 值(約0． 3 mm),使槍鉆切削被適當延遲(改進的鉆削過程見圖3)。雖然此時仍使用第2 把刀具,但在加速瞬間沒有產生尖銳的切削聲音,加工后刀具上的崩刃部分未發現增大趨勢。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,而刀具產生崩刃是導致刀具壽命降低的主要原因。

表1　鉆削試驗數據統計結果

結合以上試驗數據和分析結果,應用改進后的鉆削循環,綜合考慮質量、效率和刀具成本,進行了參數改進和二次驗證(驗證結果見表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,槍鉆加工產生的切屑(見圖4)95% 以上小于3 mm,使用80 bar 壓力的內冷切削液能迅速排出切屑并冷卻刀具和零件,可以滿足零件的優質、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,要將換刀點設置在第4 組孔加工后。

表2　鉆削驗證數據統計結果