TC11鈦合金深孔鉆削試驗研究與切屑形態分析

韓曉蘭,張旭康,劉戰鋒,鄭桓,侯杰

西安石油大學機械工程學院

1 引言

鈦合金具有塑性低、熱導率小、散熱差和親和力強等特點,物理與力學性能優良,因此被廣泛應用于煤、石油和天然氣開采領域[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相的優點,具有強度高、高溫耐磨性好等優點的同時,還具有良好的熱加工工藝與機加工性能,常用于柔性鉆桿的基體材料[2,3]。柔性鉆桿內部的通孔具有較大的長徑比,屬于深孔類零件,常通過深孔鉆削的方法獲得,在加工時處于封閉或半封閉環境,無法實時觀測加工情況,所以只能通過聲音、振動等現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增加,易造成堵屑,致使深孔鉆頭產生嚴重磨損甚至是崩刃現象,嚴重影響內孔加工質量和降低加工效率[5]。因此,對切屑形態的有效處理和合理控制在深孔鉆削中非常重要。

目前,針對鈦合金深孔鉆削切屑形態的研究較少。Saedon J.B.等[6]對鈦合金切削進行多目標參數優化發現,在切削速度為44m/min、進給速度為0.05mm/r和切削深度為0.5mm時斷屑可靠,排屑順暢。趙亭等[7]對TC4鈦合金進行了低頻振動鉆削試驗,結果表明,振幅與進給量比值接近臨界斷屑值0.81時斷屑可靠,排屑順暢。馮亞洲等[8]以難加工材料TA15鈦合金為研究對象,并采用正交試驗設計方法進行研究,試驗表明,鉆頭斷屑槽的圓弧半徑是影響切屑形態的主要因素,優化后的工藝參數為斷屑槽圓弧半徑0.8mm、主軸轉速255r/min、進給量0.45mm/r時,切削過程平穩,排屑順暢。胡立湘等[9]通過麻花鉆對TC4鈦合金進行鉆削試驗結果表明,斷屑能力隨進給量的增加而增強,切屑長度隨之變短。當進給量為50mm/min時,切屑呈短螺旋形,此時排屑最佳。

綜上所述,切削參數在深孔鉆削過程中對切屑形態有著顯著影響。根據材料的性能合理選擇切削參數和刀具幾何參數,可以有效控制切屑形態,進而減少刀具磨損,提高工作效率[10]。為此,本文開展了不同工藝參數組合下的TC11鈦合金深孔鉆削試驗,研究和分析了不同工藝參數對TC11鈦合金深孔鉆削加工過程和切屑形態的影響,并得出優化后的TC11鈦合金深孔鉆削加工工藝參數。

2 深孔鉆削試驗

試驗工件材料為TC11鈦合金,其化學成分和機械性能分別見表1和表2。棒材尺寸為φ196mm×6300mm,深孔鉆削后零件內孔直徑為φ70mm,如圖1所示,該零件長徑比為90,屬于超細長深孔。本文僅針對TC11鈦合金BTA深孔鉆削過程中的切屑形態進行研究分析。

表1 TC11的元素成分 (%)

表2 室溫下TC11鈦合金的機械性能

圖1 深孔鉆削工序零件

深孔鉆削設備選用T2110深孔鉆鏜床,如圖2a所示,該機床采用BTA深孔鉆削系統,其原理如圖3所示,加工方式為工件旋轉,刀具進給[11]。深孔鉆削刀具結構為機夾式多刃錯齒BTA深孔鉆,其直徑為φ70mm(見圖2b),深孔鉆幾何參數如表3所示。

表3 多刃錯齒深孔機夾鉆頭幾何尺寸

(a)深孔鉆削試驗現場

圖3 BTA加工系統

此結構直接將機夾刀片夾緊在刀體上,可隨時更換刀片,較普通的焊接式刀片減少了刀具刃磨時間。由于YG8材料強度高,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,選用的切削液型號為COOlancutO-11,加水稀釋而成[13,14]。

為了研究轉速、進給量對切屑形態的影響,分別分析切屑形態隨轉速、進給量的變化規律。選用不同轉速與進給量進行試驗對比分析,具體參數為:主軸轉速分別選用68r/min,98r/min,138r/min,進給量分別選用0.16mm/r和0.4mm/r。

3 試驗結果分析

不同切削參數組合下獲得的試驗結果如表4所示,試驗所得切屑如圖4所示。由表4可以看出,轉速為68r/min時,切屑為C狀切屑(見圖4a),斷屑效果良好,排屑順暢,出現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,造成導向塊磨損嚴重;當轉速為98r/min、進給量為0.16mm/r時,切屑呈短螺旋形狀(見圖4b),導向塊磨損相對最小,出現短螺旋切屑是由于切屑在流經前刀面產生彎曲后接觸到刀具后刀面產生擠壓斷裂,這種切屑斷裂屬于大多數情況下的正常斷屑,為深孔鉆削的最理想狀態;當轉速為138r/min時,無論何種進給量,切屑都為不折斷螺旋切屑(見圖4c),產生不折斷螺旋切屑是由于主軸轉速過快,切屑與刀尖的接觸時間過短,切屑來不及折斷,嚴重時會形成堵屑,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。

表4 不同切削參數的鉆削試驗結果

(a)C狀切屑

綜上可以看出,合理選用主軸轉速和進給量可以形成短螺旋切屑,保證加工過程順利進行;主軸轉速過小時容易形成C狀切屑,這種切屑的形成需較大的徑向切削力,造成導向塊磨損嚴重;主軸轉速過大時容易形成不折斷螺旋切屑,不利于斷屑,嚴重時會形成堵屑,加劇刀具磨損。TC11鈦合金深孔鉆削后所產生的零件深孔實際效果如圖5所示。

圖5 加工后零件內孔

4 結語

基于難加工材料TC11鈦合金的BTA深孔鉆削試驗,研究和分析了主軸轉速和進給量對切屑形態和切削形態的影響,得出以下結論。

(1)在深孔鉆削過程中,進給量及主軸轉速對切屑形態均有影響,其中主軸轉速的大小對切屑形態的形成起主要影響作用。

(2)在不同的參數組合下,TC11鈦合金的BTA鉆削可獲得三種切屑形態,其中,轉速為98r/min、進給量為0.16mm/r時,切屑呈現短螺旋形狀,導向塊磨損相對最小,排屑正常,為深孔鉆削的理想狀態。