钛合金深孔钻削技术的研究

钛合金深孔钻削技术的研究

戴翠丽

云南国防工业职业技术学院机电工程学院戴翠丽

【摘要】针对钛合金材料的难加工特性，本文从钛合金深孔钻削加工中的钻削系统、刀具几何角度以及切削用量等的合理选择方面进行研究，确定出适合加工钛合金材料的深孔钻用刀片材料和几何参数，改善了钛合金深孔钻削加工性，有效地解决了钻头磨损严重、刀具耐用度不高和效率低下等问题。

【关键词】钛合金；深孔钻削；加工性；刀具耐用度

【中图分类号】G551.25【文章标识码】A【文章编号】1326-3587（2012）10-0135-02

钛合金以其比强度高、热强度高、抗蚀性好和高低温性能好等优良特性而在宇航、原子能、电力、化工和石油等行业取得了不可替代的位置。但钛合金属于难加工材料，其加工难度表现在弹性变形大，接近后刀面处材料的回弹量大，后刀面与材料表面摩擦严重；切削温度高；易形成表面变质硬化层，导致加工表面的硬度和脆性提高；粘刀现象严重，易造成刀具粘结磨损；钻削时易生成长而薄的卷曲切屑，使排屑困难等。

深孔钻削属于一种比较特殊的金属切削加工方法,在机械加工中占有很重要的地位。由于长径比较大,深孔钻削存在切削热不易散出、切屑不易排出和钻削系统刚性差等缺点,刀具耐用度与加工效率极低。因此，对其进行有效的切削是机械加工的难点。为了提高钛合金材料深孔加工质量和生产率，针对其特点本文从刀具材料、刀具几何参数和切削用量等方面进行了试验研究。

一、深孔钻削刀具结构及几何参数

深孔钻削刀具的结构如图1所示。其设计时主要根据被切削材料选取合理的刀片材料和几何参数。由于深孔钻属于多刃刀具，主切削刃通常刃磨略低于钻心，切削刃上各点的基面是变化的，若按上述标注角度参考严格标注就比较繁琐。由于主切削刃低于钻心不多（<0.5mm），通常忽略不计，按照我国刀具角度标注习惯，采用正交平面参考系进行标注几何参数。如图2所示。

二、钛合金材料的性能分析

2.1钛合金的种类及其组织结构。

钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α-Ti；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β-Ti。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。我国分别以TA、TC、TB表示。

(1)α钛合金

它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。

(2)β钛合金

它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

(3)α+β钛合金

它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。

三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。

2.2钛合金的性能特点。

（1）钛合金的比强度高。

钛合金的密度仅为钢的06%左右，但强度却高于钢，所以它的比强度是现代工程材料中最高的，超过了铝、镁合金和合金钢。

（2）钛合金的热强性好，低温强度高。

铁合金在高温(50℃左右)下仍能保持其力学性能;往钛合金中加人合金强化元素后，能大大提高合金热的稳定性和高温强度，如在30℃一350℃下，其强度为铝合金强度的3一4倍。

（3）钛合金的化学活性大，耐腐蚀性好.

钛合金材料能与大气中的氮、氢、一氧化碳、二氧化碳等产生反应，生成硬化层或脆性层，使得脆性加大，塑性降低;另外钛合金能与空气中的氧产生强烈反应，生成致密坚固的氧化膜，其耐腐蚀性能比不锈钢还高。

（4）钛合金的导热性能差、弹性模量。。

钛合金的导热系数仅为钢的1/4、铝的1/l4;弹性模量约为钢的1/2，刚性差、变形大。

三、钛合金深孔钻削加工性差的原因

钛合金虽然具有卓有的使用性能，但其物理、力学性能也给切削加工带来了很大的困难。钛合金的切削特点主要有：

（1）变形系数小。切削钛合金时，形成挤裂切屑，其变形过程比P类材料的复杂的多。一半金属切削过程中，变形系数为1.5~4，而切削钛合金时，变形系数约为0.8~1.05。

因此，切削钛合金时，切屑与前刀面的接触长度很小，切屑呈挤裂节状，挤裂切屑背面出现深而宽的裂纹；钛合金切屑与前刀面接触温度很高，使前刀面对切屑底层的挤压与摩擦减小；切削区的高温引起α-Ti和β-Ti的变化、转化，使切屑组织发生变化；高温下，钛合金吸收大气中的氢、氧、氮等元素，因此氢、氧、氮等气体饱和了的并且大多是初生α相组织的切屑失去塑性，不出现一般的收缩。后两种过程是增加切屑向挤裂发展的因素。

（2）刀-屑摩擦剧烈。切削时，切屑因变形系数小，眼前刀面的流出速度大于切削速度，与其他大多数金属材料的切削相比，钛合金切屑沿刀具前刀面的摩擦更剧烈，刀具更容易磨损。

（3）刀尖角应力大。切削钛合金时，虽然主切削力比切削45钢小1/2~2/3，但切屑与前刀面的接触长度只是切削45钢的50%~60%，刀尖、切削刃附近较小范围内负荷很大，应力集中，因而刀尖或切削刃容易磨损甚至损伤。

（4）切削温度高。切削钛合金时，摩擦因数比一般钢材大，造成切屑与刀具接触界面温度高。另外，钛合金的导热率小，散热条件差，也造成切削温度高的重要原因。据资料[7,380]切削钛合金时前后刀面温度均比45钢高很多，并且其前后刀面具有显著的温差，这对金属切削是十分不利的。

（5）钛合金材料化学活性高，切屑粘刀现象严重，易使刀具产生扩散磨损和磨料磨损。在切削高温下，钛合金极易与空气中的氢、氧、氮等元素发生化学反应，产生脆性氧化层。据资料[7,380]钛合金含氧量从0.66%下降到0.32%时，刀具寿命可提高4倍。

（6）钛合金弹性模量小，弹性恢复大。后刀面与加工表面的摩擦面增大，刀具切削抗力增大。

四、钛合金深孔钻削加工性改进方法

（1）选择合适的深孔加工系统。

对于小孔径(直径小于30mm)的加工，可以选用DF(DoubleFeeder)深孔加工系统或者枪钻系统，其中DF系统应用更为广泛，这是因为DF系统比枪钻结构简单，排屑能力更强;对于大孔径的加工，可以采用BTA系统(B“ng叨d仆Panni叱助sociation发明的)或者喷吸钻系统，这两者均有较好的冷却、润滑与排屑效果。

（2）选择方便合理的钻头结构。

深孔加工的钻头主要有深孔麻花钻、枪钻、内排屑深孔钻等。在加工超小孔径(直径小于6二)深孔时，一般采用枪钻比较合适;对于孔径小于somln的深孔，可以采用深孔麻花钻或小孔径DF内排屑深孔钻;加工大孔径时，一般选用多刃错齿内排屑深孔钻。多刃错齿内排屑深孔钻由刀体、导向块、外齿、中心齿、中间齿组成。这种结构的深孔钻，钻头的刀片分布比较合理，可以使径向力始终压向导向块，导向块紧贴已加工孔壁向前推进，钻孔直线度比较好，较好地解决了深孔加工的导向问题。

（3）选择合适的刀具材料。

加工铁合金时，尽可能地选用硬质合金刀具川，以提高生产效率。在硬质合金材料中不宜选用YT类硬质合金刀片。因为YT类硬质合金刀片中含有钛，它会与被加工钛合金的钛发生亲和作用，产生枯刀现象。应尽可能选用细晶粒的YC类硬质合金刀具，因为钨钻类硬质合金与铁合金化学亲和力小、导热性好、强度也较高，这样切屑温度较低，刀具磨损较小，表面粗糙度较小。一般选用耐冲击的YCS硬质合金刀片。

（4）选择合理的刀具几何参数。

以多刃错齿内排屑深孔钻为例，在深孔钻削过程中，余偏角的大小直接影响切削力的分配、切削变形、切削厚度、切削宽度和断屑状况。适当地减少余偏角，可使径向力减小，起到定心作用，有利于改善导向块的受力状态，减小钻头的走偏，并能改善切屑的流出方向，并使排屑顺畅。通常外刃余偏角取160一180，内刃余偏角一般应取得比外刃余偏角大，通常取200。

前角的大小主要根据工件材料和加工要求而定，由于钛合金在切削过程中容易形成形成硬脆层，加速刀具磨损，因此钛合金切削应采用较小的前角;另外，采用较小的前角，可以增大切屑与前刀面的接触长度，降低切削温度，提高刀具耐用度。在深孔钻削钛合金时通常取刀具的外刃前角为00一20，内刃前角为20一50。

切削刃后角主要根据工件材料和进给量选取，由于钛合金的弹性模量小，回弹量大，致使后刀面与加工表面接触面积大。为减少后刀面与加工表面间的摩擦，需加大后角。考虑到深孔钻削的特殊性，为提高刀具耐用度一般外刃后角取80一100，内刃后角取100一120。钻尖偏心量为5mm一6mm。断屑台的参数是:宽度取为1.5mm。，深度取为0.5mm。

(5)优化切削用量。

在钛合金的深孔钻削过程中，应采用较低的切削速度，以免切削温度过高;进给量应适中，进给量过大易引起刀刃烧伤。根据实践经验，通常取进给量了二0.05mm/r一0.15mm/r，切削速度，=10mm/min~30mm/min。

(6)选用有效的冷却系统。

在深孔钻削中，根据不同的加工系统，冷却液压一般在15MPa一3MPa;所用的冷却液.采用极压乳化液或极压切削液效果较好。

(7)由于深孔加工中的工件较长，一般应采取一定的工装夹具，保证加工系统的刚性。

五、结束语

钛合金以其良好的使用性能在各部门得到了广泛应用，而钛合金的切削加工性能差,其深孔钻削的技术难度更大。通过选用合理的钻头结构、刀具材料、刀具几何参数、优化切削用量等改善措施可以降低切削温度，减小刀具的磨损，提高刀具耐用度，提高钛合金的深孔钻削性。

【参考文献】

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2、白宝宝、朱林，钛合金TC4深孔钻削用量的实验研究[J]新技术新工艺?数字技术与机械加工工艺装备2010，1：25-27

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