钛合金深孔钻削位置度的工艺研究

【摘 要】某钛合金零件，厚度为60mm，需在零件上钻三处直径为Ф4的通孔，是典型的深孔加工。此类钛合金零件需加工的深孔尺寸小，精度高，孔位置度和与底面垂直度要求高，加工中，常常出现刀具破损严重，切屑不易排除，钻头被咬住，扭断等现象，造成孔中心偏斜，孔边距超差，因此该钛合金零件的孔边距超差是目前存在的主要问题，本文对钛合金深孔钻削位置度的工艺研究进行探讨。

【关键词】钛合金 深孔 加工工艺

1 现状调查

某批该钛合金零件，对其中不合格的产品30件进行数据调查，并对数据进行分析整理：空位置度超差：53.3%；空垂直度超差：83.3%；孔径超差：93.3%；粗糙度超差：97.3%。从以上可以看出30件不合格品中，由于孔边距不合格的零件数为25件，其不合格率占总不合格率的83.3%，因此该钛合金零件的孔边距超差是目前存在的主要问题。从零件成品检查不合格列表中可以看出，不合格情况主要表现在：孔的位置度和垂直度超差，导致孔中心偏斜，孔边距超差。

2 原因分析

通过对影响零件孔边距不合格的原因进行分析，得出影响钛合金零件孔边距不合格的末端原因五条，分别为：

2.1 刀具材料

钛合金导热系数低（仅是钢的1/4，铝的1/4，铜的1/25），散热慢，冷却效果差，尤其钻削时，在切削区形成高温，造成钻头刃口磨损快；又因钛合金化学活性高，在高温高压下加工，与刀具材料起反应，造成粘刀具现象。选择刀具材料时，考虑刀具材料的导热性能。还要求刀具材料韧性要好，σbb>150kg/ mm2，所使用的高速钢材料的钻头无法满足此要求，被加工零件表面粗糙度高，形位公差大。

2.2 二刀具几何参数

钛合金弹性模量小，是45钢的1/2，30CrMnSi的56% 。加工变形大，刀具的前后角选择决定加工面和刀面的摩擦，和加工面的表面质量。钻削时钛合金时，钻头承受很大的扭矩和轴向抗力。钻头易折断。

2.3 切削用量

粗加工目的是去除大的余量，切削速度不高；精加工的目的是保证尺寸精度和表面质量，采用高的切削速度。进给量与工件变形区中的变形量直接有关。当进给量较小时，变形量也较小，变形渗透不到被加工件的内部，加剧零件变形的不均匀性。

2.4 冷却液成分

合成水溶性切削液泡沫少，具有良好的过滤性、清洁度和散热性，而可溶性切削油具有更好的性，符合工艺要求。

2.5 拼装钻模

拼装钻模由各元件组合固定而成，受力大时，定位元件发生微小位移，影响孔距从而使孔边距超差。

3 对策实施

3.1 实施一、选择合适的硬质合金钻头

足够的硬度：钻头的硬度必须大于钛合金的硬度。足够的强度和韧性：承受很大的扭转力和切削力。足够的耐磨性：抵抗磨损能力，减少加工硬化。钻头材料与钛合金亲合能力差，防止形成溶敷，扩散成合金，造成粘刀、钻头折断现象。制造钛合金钻头常用的刃具材料有超硬高速钢W6Mo5Cr4V3Al、W10Mo4Cr4V3Al和W6Mo5Cr4VSSiNbAl、超细晶粒硬质合金和钢结硬质合金YS2、YG、YM等。经过对不同材料的钻头进行试验分析，结果表明由材料超细晶粒硬质合金制造的钻头加工孔时，刃口锋利，磨损小，效率有了明显提高，是比较理想的刃具材料。优选YG类硬质合金。

3.2 实施二、选择合适的刀具参数

选择大的刀具后角，减少加工表面与后刀面间的摩擦。前角也要选择大，刀具锋利，减小加工变形，降低加工硬化，提高已加工表面质量。专门设计的几何刃型使钻头具有自定心功能，在钻削零件时具备良好的切屑控制及排屑性能。波浪形切削刃能有效的保持刃口的锋利性，减少能量损耗；而靠近中心的凸形弧则能提高钻头尖顶部位的刚性。槽外侧的小圆弧在切削时，能使切屑在小范围内形成卷曲，并折断成小块，而位于中央的大圆弧则有助于切屑顺利排出。

3.3 选择合适的切削用量

钛合金的性能特点要求钻削时转速要低，进给量要适中，切削用量。钻头直径0.5～0.7mm，切削速度5～15m/min，主轴转速5000 r/min，每齿进给量0.004～0.008 nm/r；钻头直径1.0～3.0mm，切削速度5～15m/min，主轴转速1600 r/min，每齿进给量0.01～0.05nm/r；钻头直径3.2～5.0mm，切削速度5～15m/min，主轴转速1200 r/min，每齿进给量0.07～0.1nm/r。

4 设计专用钻模

专用钻模刚性好，避免组合夹具元件凹槽中堆积积屑现象，易清理，降低定位误差。

根据提出的解决方案并实施，解决了加工中遇到的实际问题，为此类钛合金锁壳零件建立了标准化加工方案。（见下图1-图2）

图1 图2

参考文献：

[1] 吴晓丹.钛合金可转位内排屑深孔钻工艺系统分析[J].机械工程师，2000（6）.

[2] 周利华，苏桂生.钛合金的超高速切削加工技术研究[J].考试周刊，2011（54）.