韓曉蘭,劉戰(zhàn)鋒
(1.西安石油大學(xué),陜西 西安 710065;2.陜西深孔智越科技有限公司,陜西 西安 712000)
鈦合金管是航空航天、海洋船舶、石油化工和石油勘探中大型設(shè)備常用的關(guān)鍵機(jī)械零件[1,2],該類零件的深孔一般是通過深孔鉆鏜孔工藝或斜軋穿孔及軋制獲得。鉆鏜孔工藝直接利用深孔鉆對(duì)鈦合金棒材進(jìn)行鉆削,材料的利用率不足50%,對(duì)于某些大孔徑的薄壁鈦合金管,其利用率更低,不足10%,因此造成大孔徑鈦合金管的加工成本很高[3,4]。斜軋穿孔及軋制是目前無(wú)縫管生產(chǎn)中應(yīng)用較廣的工藝之一,采用該工藝時(shí)鈦合金消耗小,但是其設(shè)備復(fù)雜、周期長(zhǎng)、成品率低,且該工藝僅應(yīng)用于低強(qiáng)度鈦合金的加工,而對(duì)于高強(qiáng)度鈦合金管的軋制工藝,目前尚處于研究階段[5-7]。
深孔套料鉆削工藝因斷屑和排屑困難、加工狀況處在半封閉狀態(tài)下不便觀察等因素成為深孔加工方面的難題[8,9],對(duì)于鈦合金材料加工,更是受到其工藝、剛度、強(qiáng)度、切削刀具的磨損、導(dǎo)向塊磨損和排屑難等諸多因素影響[10-12],使鈦合金深孔套料的加工難度增加,最終出現(xiàn)如排屑出口堵屑、入鉆不穩(wěn)定、套料過程振動(dòng)現(xiàn)象嚴(yán)重、崩刀現(xiàn)象等問題[13,14],使得鈦合金深孔套料技術(shù)成為目前一個(gè)重要的難題。
為了解決上述問題,以降低工藝成本,節(jié)約原材料和減少機(jī)床的功率消耗。本文以大孔徑鈦合金管的加工為背景,設(shè)計(jì)了大孔徑鈦合金管深孔套料鉆削工藝。
針對(duì)大孔徑鈦合金管套料鉆削過程中存在的這些問題,從工藝的角度出發(fā),提出了一定的解決方法,并進(jìn)行了大孔徑鈦合金深孔套料鉆削試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:采用以環(huán)形切削方式在實(shí)體材料上進(jìn)行大孔徑鈦合金管深孔套料鉆削工藝,能節(jié)約大量的鈦合金原材料,并且能得到比較高的加工質(zhì)量。該工藝的發(fā)展為大孔徑鈦合金管的生產(chǎn)提供了新的工藝途徑。與傳統(tǒng)的鉆鏜孔工藝相比,大孔徑鈦合金管深孔套料鉆削工藝具有工藝簡(jiǎn)單、材料利用率高、刀具成本低和機(jī)床磨損小等優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)鈦合金材料的切削性能特點(diǎn)和工件結(jié)構(gòu),為了更順暢的排屑,鈦合金深孔套料加工系統(tǒng)采用外排屑深孔套料鉆削系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由深孔鉆鏜床、深孔套料鉆和冷卻排屑系統(tǒng)三大部分組成,如圖1所示。該系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式為工件旋轉(zhuǎn)、鉆桿進(jìn)給。切削液通過鉆桿的尾部進(jìn)入鉆桿內(nèi)部,經(jīng)鉆桿內(nèi)壁和工件的間隙進(jìn)入套料鉆的頭部進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑,并將形成的切屑從鉆桿外壁和工件的間隙中排出,所獲得的鈦合金管和芯棒如圖2所示。
圖1 鈦合金深孔套料鉆削系統(tǒng)
圖2 深孔套料鉆削所獲得的鈦合金管和芯棒
2.1.1 深孔套料鉆刀齒材料
鈦合金材料的切削加工性能比較差,切削加工時(shí)切削速度比較低,在進(jìn)行切削加工時(shí),因其切屑呈鋸齒狀而造成了刀具切削力呈周期性變化,且刀具受到的切削沖擊力比較大[15,16],因此,鈦合金材料套料鉆削時(shí),宜選擇強(qiáng)度高、抗沖擊韌性較好的YG8硬質(zhì)合金作為深孔套料鉆的刀齒材料。YG8硬質(zhì)合金抗彎強(qiáng)度比較高,且抗沖擊性能和抗振性能都比較好,而其耐磨性能和允許的切削速度卻比較低[17,18]。
2.1.2 深孔套料鉆的結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)
深孔套料鉆的結(jié)構(gòu)如圖3所示。對(duì)于鈦合金材料,采用單齒外排屑深孔套料鉆比較合適,多齒的深孔套料鉆會(huì)產(chǎn)生比單齒深孔套料鉆更大的振動(dòng),且多齒深孔套料鉆的刀齒中要加入必要的搭接量勢(shì)必要增大切削力,從而間接的增大了切削功率,提高了對(duì)機(jī)床的要求。
圖3 深孔套料鉆的結(jié)構(gòu)
由于鈦合金比強(qiáng)度和熱強(qiáng)度高、切削變形系數(shù)和彈性模量小等特點(diǎn)[19,20],宜采用小前角、大后角以及較大的主偏角,使切削刃鋒利耐磨,減小切屑變形。因此選取前角γ0為 7°,后角α0為12°,主偏角kr為80°,刃傾角λs為0°。
老巴說:“真的不是什么事。早上四強(qiáng)店里客人多,他完全丟不開手。我就自己過去接阿里。去的時(shí)候還蠻好,回來(lái)走地下通道,走急了,摔了一下?!?/p>
根據(jù)鈦合金材料特性,斷屑槽結(jié)構(gòu)選用圓弧型,其參數(shù)為:斷屑臺(tái)的寬度Wn為2.5~3.8 mm,斷屑臺(tái)深度Hn取為0.5~1 mm,圓弧半徑Rn一般取為0.5~0.8 mm。
為了實(shí)現(xiàn)很好的斷屑,刀片采用了軸向階梯分屑方式,在滿足要求孔徑的前提下,盡可能增大芯棒直徑,以便節(jié)約材料,但為了更好的斷屑和排屑,采用的單齒刀片為4級(jí)階梯式刀片,切削刃總寬度為15 mm,由外到內(nèi)每齒寬度分別為3 mm、4 mm、4 mm、4 mm,分屑齒的結(jié)構(gòu)如圖 4所示。
圖4 軸向階梯分屑齒的結(jié)構(gòu)
對(duì)鈦合金工件材料進(jìn)行外排屑深孔套料加工時(shí),由于鉆削用量、刀具結(jié)構(gòu)、切削液流量的不同而出現(xiàn)了不同的切屑形態(tài)。當(dāng)切削速度在14.7~27.0 mm/min之間,進(jìn)給量處于f=0.10~0.15 mm/r之間時(shí),排屑和鉆削過程非常穩(wěn)定,切屑能很好的自動(dòng)斷屑,能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的套料加工。
當(dāng)切削液的流量加大時(shí),不僅能提高加工系統(tǒng)的剛性,還能使切屑自動(dòng)斷屑的周期變小,長(zhǎng)屑變?yōu)槎绦?,但不同的切削液流量?duì)套料鉆的分屑效果影響不是很明顯。因此,在對(duì)鈦合金材料進(jìn)行深孔套料加工時(shí),應(yīng)加大油路通道的截面面積,加大切削液的流量,使切屑在大流量的切削液作用下能較好的進(jìn)行斷屑和排屑,使鉆削過程更加平穩(wěn)。
深孔套料鉆削的排屑過程主要是由高壓切削液將切屑強(qiáng)制帶出,切削液從鉆桿的末端輸入,到達(dá)切削部位帶走切屑,再?gòu)你@桿的外側(cè)將切屑帶出,如圖5所示。隨著孔的深度的增加,切削液沿程阻力損失和切屑排出的路線就會(huì)增加,如果切削液壓力小于或者等于切屑沿途的阻力,就導(dǎo)致帶狀切屑纏繞現(xiàn)象出現(xiàn),使套料切削過程產(chǎn)生振動(dòng)、崩刀、打刀,導(dǎo)致套料切削過程無(wú)法正常進(jìn)行。通常情況下,采用加大切削液壓力和流量,強(qiáng)制將切屑從切削區(qū)帶走,以減小套料過程中切屑纏繞問題而產(chǎn)生的振動(dòng)。
圖5 切屑與切削液流經(jīng)示意圖
在深孔套料加工過程中,采用工件轉(zhuǎn)動(dòng)、刀具直線進(jìn)給的加工方式。在鉆桿向前移動(dòng)、刀具與工件之間產(chǎn)生擠壓的過程中,鉆桿的前端部會(huì)受到工件向后的反作用力,反作用力的大小對(duì)于鉆桿是否產(chǎn)生屈服具有一定的影響。因此,為了保證鉆桿在加工過程中不因強(qiáng)度不夠而影響加工,鉆桿的最大工作壓力不得超過40Cr材料的許用壓力,及要求鉆桿的強(qiáng)度條件為
在加工過程中,轉(zhuǎn)速過大時(shí)會(huì)使得扭轉(zhuǎn)角過大,進(jìn)而會(huì)引起強(qiáng)烈的振動(dòng),由于振動(dòng)可導(dǎo)致打刀崩刀現(xiàn)象,因此需要對(duì)鉆桿扭轉(zhuǎn)變形做一定的限制,即滿足鉆桿的扭轉(zhuǎn)剛度條件
鈦合金深孔套料采用外排屑深孔加工系統(tǒng),試樣為TC4棒料,尺寸為230 mm×1 200 mm,如圖6(a)所示。深孔套料鉆直徑為115 mm,進(jìn)給量為f=0.17 mm/r、f=0.19 mm/r、f=0.20 mm/r、f=0.22 mm/r,轉(zhuǎn)速為110 r/min、145 r/min,切削液流量Q=125 L/min、Q=250 L/m,切削液壓力2.5 MPa。深孔套料加工過程如圖6b所示。
圖6 鈦合金深孔套料加工
鈦合金深孔套料加工結(jié)果如圖7所示。該試件所有尺寸均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。鈦合金管孔壁和芯棒的尺寸精度均可達(dá) IT8,表面的粗糙度可達(dá)3.2 μm。
圖7 大孔徑鈦合金深孔套料加工結(jié)果
不同工藝參數(shù)組合下所獲得的深孔套料鉆削過程如表1所示。在鈦合金深孔套料過程中,當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著進(jìn)給量的增大,軸向鉆削力和扭矩增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為110 r/min、進(jìn)給量為0.2 mm/r、切削液壓力2.5 MPa、切削液流量250 L/min時(shí),深孔套料鉆削過程中沒有發(fā)生堵屑現(xiàn)象,刀具出現(xiàn)輕微的鈍化,如圖8a所示。但在轉(zhuǎn)速大于110 r/min、進(jìn)給量大于0.20 mm/r時(shí),發(fā)生堵屑現(xiàn)象,并且靠近芯棒的一側(cè)發(fā)生崩刀,如圖8b所示。
表1 不同工藝參數(shù)組合下的深孔套料鉆削過程
圖8 刀具狀態(tài)
當(dāng)進(jìn)給量處于0.19 mm/r和0.20 mm/r之間時(shí),切屑能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分屑,其切屑形態(tài)如圖9a所示,當(dāng)轉(zhuǎn)速為110 r/min、切削液壓力為2.5 MPa、切削液流量為250 L/min時(shí),可實(shí)現(xiàn)順利排屑,且鉆削過程相對(duì)穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的深孔套料加工。當(dāng)進(jìn)給量大于0.22 mm/r時(shí),切屑形態(tài)為擠裂狀切屑,如圖9b,套料過程中出現(xiàn)劇烈的振動(dòng),刀具磨損嚴(yán)重,容易造成套料鉆頭出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。
圖9 切屑形態(tài)
通過對(duì)TC4鈦合金工件進(jìn)行批量深孔套料加工,可得出如下結(jié)論:
(1)套料加工的軸向力和扭矩要比深孔鉆小,降低了對(duì)深孔鉆削機(jī)床的功率要求,因而比其它深孔鉆削方式更經(jīng)濟(jì)。
(2)套料鉆幾何參數(shù)采用γ0= 7°,α0=12°,kr=80°,λs=0°,轉(zhuǎn)速n=110 r/min、進(jìn)給量f=0.2 mm/r、切削液壓力P=2.5 MPa、流量Q=250 L/min時(shí),鈦合金深孔套料鉆削過程比較平穩(wěn),切屑形態(tài)比較好。
(3)鈦合金深孔套料加工所形成的切屑形態(tài)隨著鉆削用量、刀具結(jié)構(gòu)、切削液流量以及鈦合金材料種類的不同而不同,其中進(jìn)給量對(duì)切屑形態(tài)影響最大。
(4)在孔徑一定的條件下隨著鉆削長(zhǎng)度的增加,切削液的沿程壓力損失較大,為了切屑的有效排出,必須適當(dāng)?shù)脑黾忧邢饕旱膲毫土髁?。在?shí)際加工中,由于冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)的密封性以及油泵功率的限制,通常采取增加流量Q,來(lái)提高加工時(shí)的排屑效果。