TC11鈦合金深孔鉆削試驗(yàn)研究與切屑形態(tài)分析

韓曉蘭,張旭康,劉戰(zhàn)鋒,鄭桓,侯杰

西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

鈦合金具有塑性低、熱導(dǎo)率小、散熱差和親和力強(qiáng)等特點(diǎn),物理與力學(xué)性能優(yōu)良,因此被廣泛應(yīng)用于煤、石油和天然氣開(kāi)采領(lǐng)域[1]。TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)鈦合金屬于α+β相鈦合金,兼具α相與β相的優(yōu)點(diǎn),具有強(qiáng)度高、高溫耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),還具有良好的熱加工工藝與機(jī)加工性能,常用于柔性鉆桿的基體材料[2,3]。柔性鉆桿內(nèi)部的通孔具有較大的長(zhǎng)徑比,屬于深孔類零件,常通過(guò)深孔鉆削的方法獲得,在加工時(shí)處于封閉或半封閉環(huán)境,無(wú)法實(shí)時(shí)觀測(cè)加工情況,所以只能通過(guò)聲音、振動(dòng)等現(xiàn)象分辨深孔鉆削是否正常[4]。隨著鉆削深度的增加,切屑從孔中排出的難度會(huì)增加,易造成堵屑,致使深孔鉆頭產(chǎn)生嚴(yán)重磨損甚至是崩刃現(xiàn)象,嚴(yán)重影響內(nèi)孔加工質(zhì)量和降低加工效率[5]。因此,對(duì)切屑形態(tài)的有效處理和合理控制在深孔鉆削中非常重要。

目前,針對(duì)鈦合金深孔鉆削切屑形態(tài)的研究較少。Saedon J.B.等[6]對(duì)鈦合金切削進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化發(fā)現(xiàn),在切削速度為44m/min、進(jìn)給速度為0.05mm/r和切削深度為0.5mm時(shí)斷屑可靠,排屑順暢。趙亭等[7]對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行了低頻振動(dòng)鉆削試驗(yàn),結(jié)果表明,振幅與進(jìn)給量比值接近臨界斷屑值0.81時(shí)斷屑可靠,排屑順暢。馮亞洲等[8]以難加工材料TA15鈦合金為研究對(duì)象,并采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究,試驗(yàn)表明,鉆頭斷屑槽的圓弧半徑是影響切屑形態(tài)的主要因素,優(yōu)化后的工藝參數(shù)為斷屑槽圓弧半徑0.8mm、主軸轉(zhuǎn)速255r/min、進(jìn)給量0.45mm/r時(shí),切削過(guò)程平穩(wěn),排屑順暢。胡立湘等[9]通過(guò)麻花鉆對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行鉆削試驗(yàn)結(jié)果表明,斷屑能力隨進(jìn)給量的增加而增強(qiáng),切屑長(zhǎng)度隨之變短。當(dāng)進(jìn)給量為50mm/min時(shí),切屑呈短螺旋形,此時(shí)排屑最佳。

綜上所述,切削參數(shù)在深孔鉆削過(guò)程中對(duì)切屑形態(tài)有著顯著影響。根據(jù)材料的性能合理選擇切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù),可以有效控制切屑形態(tài),進(jìn)而減少刀具磨損,提高工作效率[10]。為此,本文開(kāi)展了不同工藝參數(shù)組合下的TC11鈦合金深孔鉆削試驗(yàn),研究和分析了不同工藝參數(shù)對(duì)TC11鈦合金深孔鉆削加工過(guò)程和切屑形態(tài)的影響,并得出優(yōu)化后的TC11鈦合金深孔鉆削加工工藝參數(shù)。

2 深孔鉆削試驗(yàn)

試驗(yàn)工件材料為TC11鈦合金,其化學(xué)成分和機(jī)械性能分別見(jiàn)表1和表2。棒材尺寸為φ196mm×6300mm,深孔鉆削后零件內(nèi)孔直徑為φ70mm,如圖1所示,該零件長(zhǎng)徑比為90,屬于超細(xì)長(zhǎng)深孔。本文僅針對(duì)TC11鈦合金B(yǎng)TA深孔鉆削過(guò)程中的切屑形態(tài)進(jìn)行研究分析。

表1 TC11的元素成分 (%)

表2 室溫下TC11鈦合金的機(jī)械性能

圖1 深孔鉆削工序零件

深孔鉆削設(shè)備選用T2110深孔鉆鏜床,如圖2a所示,該機(jī)床采用BTA深孔鉆削系統(tǒng),其原理如圖3所示,加工方式為工件旋轉(zhuǎn),刀具進(jìn)給[11]。深孔鉆削刀具結(jié)構(gòu)為機(jī)夾式多刃錯(cuò)齒BTA深孔鉆,其直徑為φ70mm(見(jiàn)圖2b),深孔鉆幾何參數(shù)如表3所示。

表3 多刃錯(cuò)齒深孔機(jī)夾鉆頭幾何尺寸

(a)深孔鉆削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖3 BTA加工系統(tǒng)

此結(jié)構(gòu)直接將機(jī)夾刀片夾緊在刀體上,可隨時(shí)更換刀片,較普通的焊接式刀片減少了刀具刃磨時(shí)間。由于YG8材料強(qiáng)度高,耐磨性能良好,允許的切削速度低,選用YG8刀片并在刀片上附有耐磨性和韌性均良好的通用型NC涂層[12]。為了降低刀具與工件表面的摩擦,選用的切削液型號(hào)為COOlancutO-11,加水稀釋而成[13,14]。

為了研究轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量對(duì)切屑形態(tài)的影響,分別分析切屑形態(tài)隨轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量的變化規(guī)律。選用不同轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析,具體參數(shù)為:主軸轉(zhuǎn)速分別選用68r/min,98r/min,138r/min,進(jìn)給量分別選用0.16mm/r和0.4mm/r。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同切削參數(shù)組合下獲得的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示,試驗(yàn)所得切屑如圖4所示。由表4可以看出,轉(zhuǎn)速為68r/min時(shí),切屑為C狀切屑(見(jiàn)圖4a),斷屑效果良好,排屑順暢,出現(xiàn)C狀切屑是由于切屑剛接觸到刀具的前刀面后立即斷裂,這種斷裂需要的徑向切削力較大,造成導(dǎo)向塊磨損嚴(yán)重;當(dāng)轉(zhuǎn)速為98r/min、進(jìn)給量為0.16mm/r時(shí),切屑呈短螺旋形狀(見(jiàn)圖4b),導(dǎo)向塊磨損相對(duì)最小,出現(xiàn)短螺旋切屑是由于切屑在流經(jīng)前刀面產(chǎn)生彎曲后接觸到刀具后刀面產(chǎn)生擠壓斷裂,這種切屑斷裂屬于大多數(shù)情況下的正常斷屑,為深孔鉆削的最理想狀態(tài);當(dāng)轉(zhuǎn)速為138r/min時(shí),無(wú)論何種進(jìn)給量,切屑都為不折斷螺旋切屑(見(jiàn)圖4c),產(chǎn)生不折斷螺旋切屑是由于主軸轉(zhuǎn)速過(guò)快,切屑與刀尖的接觸時(shí)間過(guò)短,切屑來(lái)不及折斷,嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成堵屑,加劇刀具磨損,這種情況可以看作是深孔加工中的最差狀態(tài)。

表4 不同切削參數(shù)的鉆削試驗(yàn)結(jié)果

(a)C狀切屑

綜上可以看出,合理選用主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量可以形成短螺旋切屑,保證加工過(guò)程順利進(jìn)行;主軸轉(zhuǎn)速過(guò)小時(shí)容易形成C狀切屑,這種切屑的形成需較大的徑向切削力,造成導(dǎo)向塊磨損嚴(yán)重;主軸轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)容易形成不折斷螺旋切屑,不利于斷屑,嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成堵屑,加劇刀具磨損。TC11鈦合金深孔鉆削后所產(chǎn)生的零件深孔實(shí)際效果如圖5所示。

圖5 加工后零件內(nèi)孔

4 結(jié)語(yǔ)

基于難加工材料TC11鈦合金的BTA深孔鉆削試驗(yàn),研究和分析了主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量對(duì)切屑形態(tài)和切削形態(tài)的影響,得出以下結(jié)論。

(1)在深孔鉆削過(guò)程中,進(jìn)給量及主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切屑形態(tài)均有影響,其中主軸轉(zhuǎn)速的大小對(duì)切屑形態(tài)的形成起主要影響作用。

(2)在不同的參數(shù)組合下,TC11鈦合金的BTA鉆削可獲得三種切屑形態(tài),其中,轉(zhuǎn)速為98r/min、進(jìn)給量為0.16mm/r時(shí),切屑呈現(xiàn)短螺旋形狀,導(dǎo)向塊磨損相對(duì)最小,排屑正常,為深孔鉆削的理想狀態(tài)。