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1、1序言钛合金具有比强度高、抗腐蚀性好及热强度高等特点,因此被大量应用于特殊行业,如航空、航天、医疗、化工及石油管道等零件加工中。钛合金材料为难切削材料,具有切削效率低、刀具磨损快、排屑困难以及表面质量差等加工难点,成为制约钛合金类零件加工效率和产品质量的关键。通过对典型钛合金零件加工工艺的研究,有效解决了钛合金深盲孔内腔类零件车削质量难以保证的技术难题。2钛合金的加工难点和容易产生的问题钛合金(TC4)的物理、机械特性见表1,这决定了其加工时存在以下技术难题。1)钛合金的弹性模量低,在切削力作用下使零件已加工表面容易产生回弹,从而引发刀具切削时产生振动,后刀面磨损加剧,直接影响零件的尺寸精度和
2、表面粗糙度。2)钛合金热导率和比热容都非常低,造成切削钛合金时,切屑与刀具前刀面接触长度短,使切削热大量(约75%)集中在切削刃附近的小面积内,不易散发,导致这一区域切削温度过高,加快了刀具的磨损;同时,钛又是化学亲和力极强的元素,容易在加工表面形成加工硬化层,使刀具磨损加快。3)钛合金切削时容易与刀具发生粘结,切削温度高易产生积屑瘤,直接影响零件尺寸及表面粗糙度,甚至可能会引起刀具折断。表1钛合金(TC4)物理、机械特性密度/(gcB1弹性模Ift/GPa抗拉强rftW断裂延伸率(%)硬或IIBI比热容/J/(k8KB*/1/(*K)4.4310900-1180830-10308-15320
3、5207.53钛合金典型零件分析3.1零件介绍零件的整体三维模型如图1所示,零件尺寸如图2所示。该零件为钛合金深肓孔复杂内腔零件,内腔主要由螺纹、台阶孔、内锥面、内钩槽和圆角组成。零件材料为TC4(a+)型钛合金,内孔内锥面表面粗糙度值=0.8m,内孔918.5mm圆柱度为0.01mm,外圆38mm与内孔16mm的前端锥面关于内孔918.5mm的同轴度为0.02mm,端面娼8mm和M261.5mm螺纹退刀槽端面关于内孔18.5mm的垂直度为0.02mm。图1零件整体三维模型H9J-X9zns0.1118-or三9/1.1./Zto0.80.02AI-1.lo024|16.57RaI623,25
4、53.80.025763.2加工难点分析37.5图2零件尺寸图2中,加工“6mm和918.5mm内孔锥面、24.6mm24.4mm的内槽以及外部形状是该零件的加工难点。由于06mm内孔深度为90mm,长径比为5.6:1,所以该零件加工时,刀杆悬伸过长,容易产生振动。另外,材料弹性较大、排屑困难、表面质量和尺寸公差均难以保证,且冷却非常困难,切削时刀具容易磨损、崩刀。同时,内孔底部钩槽因06mm内孔与钩槽直径相差8.6mm,无适合的标准刀具,只能设计特殊刀具进行加工,且加工时因切削余量过多,须采用分步加工。这些加工难点的存在使得加工过程中刀具的选择、加工工艺路线、工艺装夹方式、非标刀具的设计以及
5、冷却方式的选择等都成为该零件能否加工合格的关键。4加工工艺过程设计通过对零件结构及加工难点的分析,制定出以下加工工艺方案:1 )对毛坯零件进行粗加工时,留Imm的加工余量。2)精车零件最大的外圆作为后序工序的装夹基准。3 )锋制软三爪卡盘,保证同轴度8.02mm,对零件进行粗钻孔,用05mm、17.5mm和23mm钻头加工,并使用14.9mm平底钻头保证内孔总深度为110.7mmo4 )粗车外圆,使用多功能切槽刀,留02mm余量,平端面,粗车内孔,留余量0.2mm。5)使用自制内钩槽刀对Q26mm24mm钩槽进行粗加工,留0.2mm余量。6)精车外圆、内孔、平端面,M261.5mm螺纹,这样可
6、以保证08mm的内孔与螺纹退刀槽端及零件端面垂直度002mm,0!8mm内孔与锥面。38mm外圆的同轴度W02mm.但加工内孔时,如果使用卡管装夹应注意:若装夹全硬质合金刀杆,则必须清理干净辅助夹具的内孔,防止因有多余物影响刀杆的夹持效果,另外,因为全硬质合金刀杆脆性大,装夹时用力一定要适度,否则容易造成刀杆折断。7)使用自制内钩槽刀、自制仿形刀和自制键孔刀3把刀接力的方式,加工。26mm24mm内槽,并保证槽根部R2mm的要求,完成内腔加工。5加工工艺方案设计5.1 刀具及几何参数的选择根据钛合金热导率差、比热容高、易产生积屑瘤、弹性模量低以及回弹性大的加工难点,为避免被加工零件产生振纹、表
7、面粗糙度差、尺寸公差无法保证,选择加工刀具时应尽量选择切削力小、耐磨性好的刀具,最终选择的刀杆及刀片见表2,刀具几何参数详见表3。表2刀杆及刀片加工部位刀杆名称刀片名称刀具特点MC1.NR2020142CNMG120404FFKC5010(粗加工)全钢制刀杆,刚性好且为负前角刀具,前角为一5,可承受较大切削力;刀片为硬质合金基体,前角为20,物理涂层(PVD)为TiAlN,适合硬化材料、低速、断续切削和高进给率加工外圆SC1.CR2020K09CCMT09T302CP200(精加工)全钢制刀杆,刚性好且为正前角刀具,前角为:刀片为硬质合金基体,前角为18。,物理涂层(PVD)为TiAIN+Ti
8、N,适合用于钛合金超细颗粒材质的精加工I.F123H25-200BM(多功能切刀)N123H2-4000001CF4125全钢制刀杆,刚性好;刀片为硬质合金基体,前角为7,物理涂层(PVD)为TiAlN,适合于低速进给,切削轻快,切解控制的非常好,防止切削刃上积屑痛的产生,同时侧边上的WiPer(修光刀)的结构设计,耐磨性好,可加工出非常好的表面质量内孔A12N-SC1.CR09CCMT09T302-F1CP200(粗膛孔)全钢制刀杆,在恩伸长度超过刀杆直径6倍时,刀杆刚性明显不足,刀杆为。1211三网锥结构,带有内冷孔,能有效地使刀尖和零件得到充分冷却,降低切削零件时产生的高温,减缓刀具的磨
9、损,适用于粗镣孔;刀片为硬质合金基体,前角为18物理涂层(PVD)为TiAlN,刀片锋利,断屑槽容易断屑,且磨性好,适合加工钛合金材料E12QSC1.PR06CPGT060202-HPKC5010(精镣孔)全硬质合金刀杆,前角15,带内冷却孔,在悬伸长度为刀杆直径78倍时,具有良好的刚性,适用于精镣孔;刀片为硬质合金基体,前角15,刀片物理涂层(PVD)为TiAlN,抗变形性能强,切削刃锋利,耐磨性好,适合于精镣孔内钩槽刀(自制刀具)高速钢棒选择适合钛合金加工的M42材质,适合于低速加工,刀刃锋利,切削力小内仿形刀(自制刀具)DCMT070202-F1CP200全钢制刀杆,刚性好,且刀杆为正前
10、角;刀片为硬质合金基体,前角为18,物理涂层(PVD)为TiAIN+TiN,适合于小切为,高进给量加工,韧性、耐磨性好,切削刃锋利内螺纹车刀SNR00131.11IlR1.5ISOCP5OO全钢制刀杆,RiJfIiffi刀片为硬质合金基体,前角为10,物理涂层(PVD)为TiAIN+TiN,适合于小切深,高进给量加工,韧性、耐磨性好,切削刃锋利螺纹退刀槽刀SNROO131.99NR2.15FGCP500全钢制刀杆,刚性好,刀片为硬质合金基体,前角为IO0,物理涂层(PVD)为TiAlN+TiN.适合于小切深,高进给量加工,韧性、耐磨性好,切削刃锋利表3刀具几何参数刀具名称刀尖半径7mm主偏角前
11、角后角刀片材质外圆粗车刀0.49520OeKC5010(物理涂层)外圆精车刀0.295187CP200(物理涂层)内孔粗车刀0.29518VCP200(物理涂层)内孔精车刀0.29515HoKC5010(物理涂层)多功能切刀0.10Ile7CF4125(物理涂层)M24X1.511w内孔镇刀0.29518VCP200(物理涂层)内孔钩槽刀0.5902018M42(物理涂层)内仿形刀0.29518VCP200(物理涂层)螺纹退刀槽刀00IOe5CP500(物理涂层)螺纹车刀0.1O010OoCP500(物理涂层)5.2 专用刀具的设计(1)内钩槽刀内钩槽刀刀体为M42材质的高速钢(见图3),韧性
12、、耐磨性均优于W18Cr4V的高速钢,且刀具刃口锋利。由于刀具悬长为110mm,钩槽深度为8.6mm,孔径为916mm,导致刀柄直径只能为Iomm,刃部宽度只能为3mm,如果刃部过宽,就会造成刀具切削力过大,出现折断现象。同时钩槽时必须采用台阶式方法加工,即每次进刀比上一次进刀多进0.5mm,注意保留夕24.6mm24.4mm槽底部R2mm的余量,精加工出12mm长的内槽形状。再利用数控车床进刀准确的特点,利用自制仿形刀加工出夕24.6mmx24.4mm槽后半部分和R2mm圆角。图3内钩槽刀(2)自制内仿形刀标准外购内仿形刀直径方向的最大切削深度为6.5mm,工件深度为8.6mm,无法满足加工
13、需要。同时,由于刀具悬伸量为IIOmm,因加工需要,刀柄直径只能为Wmm,长径比为11:1,因此加工时必须采用小切深、大进给方式进行。综上,需自制内仿形刀杆(见图4),采用进口外购刀片加工钛合金零件,既能保证产品的表面质量和尺寸精度,也可以提高刀片寿命和稳定性。使用内仿形刀加工时采取分层切削,后一次比前一次进刀少进给0.1mm,这样做能有效防止因切屑和积屑瘤的产生而出现刀尖崩碎的情况。图4自制内仿形刀杆(3)外切槽刀使用外切槽刀(见图5)加工外形,看似简单,但要想保证零件尺寸精度必须要注意,横向走刀切削时,刀具切削刃与工件轴线之间会有一个副偏角,这个副偏角的大小主要与进给量、切削深度、刀杆头部
14、悬伸长度、刀片的宽度、零件转速和工件材质这6种因素有密切关系。因此,要在精加工零件时必须考虑直径补偿因素,当外切槽刀沿径向切槽至工件最终直径后,再沿轴向横向走刀,刀片会出现一个副偏角,径向切槽处工件直径。1与横向车削处工件直径D2两者会出现一个调试差/(见图6),其中42=(Pi-P2)/2,必须对外切槽刀进行补偿。图5外切槽刀图6调试差根据计算得出补偿值,按以下加工可避免工件表面出现台阶情况:1 )切槽至最终直径。2 )回退刀具,其距离为42。3)进行首件横向精车前,切记一定要在工件上进行试切削,以确定最终加工尺寸。3 .3工件的装夹工件加工时使用刀具较多,零件需要多次重复装夹,且钛合金材料加工时切削力大,为保证零件的同轴度、垂直度和圆柱度,本零件加工使用钢制未淬火软三爪卡盘,它有两个优点:一是可以增加夹持力;二是可以精确定位,重复使用。对于加工装夹所使用的软三爪卡盘有以下要求。1)低碳钢材料制造软三爪卡盘,具有强度高,可装夹高硬度钢件、钛合金以及高温合金等难加工材料的零件,可用于断续切削等优点。1.1 )在软三爪卡盘内部夹一个圆柱形垫块,可有效消除软三爪卡盘装夹工件时因受力大小不一造成的传动间隙,提高其装夹精度。1.2 )内卡软三爪卡盘的外径要略大