Ti-6Al-4V鈦合金大直徑薄壁螺紋加工技術(shù)研究

李建軍 庹 超 田黎明

(中國工程物理研究院材料研究所，四川 綿陽 621907)

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Ti-6Al-4V鈦合金大直徑薄壁螺紋加工技術(shù)研究

李建軍 庹 超 田黎明

(中國工程物理研究院材料研究所，四川 綿陽 621907)

針對Ti-6Al-4V鈦合金大直徑薄壁螺紋車削加工存在較大變形，而且中徑值控制嚴(yán)格、表面質(zhì)量要求高的情況，在加工刀具和進(jìn)刀方式優(yōu)選基礎(chǔ)上，利用力學(xué)分析和模擬仿真手段完成了工裝的優(yōu)化設(shè)計；通過刀具磨損試驗和切屑形狀研究，確定了適宜的車削加工工藝參數(shù)組合；利用螺紋中徑的檢測結(jié)果對比分析，確定了較優(yōu)的螺紋檢測手段，加工出了合格的螺紋。

大直徑螺紋；力學(xué)分析；加工試驗；中徑檢測

Ti-6Al-4V鈦合金薄壁管狀零件如圖1所示，零件的螺紋大徑為M320，螺距為4 mm，壁厚僅為3 mm，徑厚比達(dá)到102，而且型面的尺寸和輪廓精度要求較高，螺紋中徑有尺寸控制要求。Ti-6Al-4V鈦合金具有良好的塑性和較強(qiáng)的韌性，且導(dǎo)熱性差，屬于難加工材料，薄壁特點(diǎn)使其在加工過程中變形不易控制。該鈦合金大直徑螺紋加工技術(shù)尚不成熟，但其價格比較昂貴，需要對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化研究，保證生產(chǎn)合格率。

對于該薄壁管狀零件螺紋的車削加工，本文從力學(xué)分析和模擬仿真的角度出發(fā)完成工裝的設(shè)計優(yōu)化，結(jié)合刀具磨損試驗和切屑形狀研究，獲得了合理的切削參數(shù)組合，并結(jié)合螺紋檢測結(jié)果選擇了合適的檢測方法。

1 進(jìn)刀方式選擇

對于Ti-6Al-4V鈦合金零件的車削加工，因工件材料具有良好的塑性，要求刀具有足夠的強(qiáng)度和韌性，螺紋加工采用肯納公司生產(chǎn)的螺紋車刀KC5025，特性如表1所示。

螺紋車削是一種成形車削，由于螺紋車刀與管狀工件成楔形接觸，當(dāng)切削深度增大時，參與切削的切削刃長度大幅增加。主切削刃和副切削刃同時參與切削，工件材料的強(qiáng)塑性特征使得摩擦系數(shù)較大，因此該鈦合金管狀外螺紋加工的車削條件相對較為惡劣。外螺紋車削通常采用以下三種進(jìn)刀方式[1-2](如圖2)：

表1 螺紋車刀KC5025的特性

牌號基體涂層硬度韌性KC5025M類硬質(zhì)合金,牌號為HC-M25PVD-TiAlN涂層中等中等

(1)徑向進(jìn)刀：進(jìn)刀方式簡單，會產(chǎn)生V型切屑，控制難度較大。

(2)側(cè)向進(jìn)刀：單側(cè)刃加工，加工刀刃易磨損，使得螺紋牙型精度較差。

(3)交替進(jìn)刀：沿螺紋牙型兩側(cè)面交替進(jìn)刀，可提高刀具壽命，適用于大螺距螺紋切削，且需要在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行特定程序設(shè)計。

在大直徑螺紋加工的切削試驗中，采用了徑向進(jìn)刀的方式。該方式在螺紋車削中最常用，其優(yōu)點(diǎn)在于：螺紋車刀兩側(cè)切削刃所受的軸向切削分力有所抵消，從而可部分地克服車削中因軸向切削分力導(dǎo)致的偏斜現(xiàn)象，并能減小螺紋的牙型誤差。缺點(diǎn)在于：車刀的兩側(cè)切削刃同時參加切削，兩面排出切屑會擠在一起，排屑較為困難；同時螺紋車刀的受力和受熱情況較為嚴(yán)重，刀尖易磨損；當(dāng)吃刀量較大時，容易產(chǎn)生“扎刀”現(xiàn)象，既易損壞刀具又影響螺紋的質(zhì)量[3-4]。

因此，在徑向進(jìn)刀方式的螺紋車削中，按照一般的加工工藝原則，吃刀量應(yīng)逐步遞減，而且針對粗加工、半精加、精加工進(jìn)行分階段遞減。由于車刀容易磨損，螺紋車削加工中要做到勤測量。

2 力學(xué)分析與工裝設(shè)計

該薄壁管狀螺紋車削加工的切削力較大，各方向上的分力不一樣。利用切削力在線檢測系統(tǒng)可檢測加工過程中X、Y、Z三個方向的分力，示意圖見圖3，結(jié)合有限元仿真分析出該管狀零件的受力變形情況，進(jìn)而通過工裝的優(yōu)化設(shè)計改善了工件的裝夾情況[5]。

2.1 螺紋車削加工力學(xué)分析

利用牌號KC5025螺紋車刀進(jìn)行切削時，多次用到切削深度0.3 mm。在高速切削的情況下，切削熱使的該鈦合金工件可能發(fā)生較為嚴(yán)重的氧化現(xiàn)象，且加工過程變得比較困難，因此切削速度小于60 m/min。利用Kistler 9257B型號的三向測力儀，得到切深0.3 mm，切削速度分別為20、30、40、50 m/min的條件下的切削分力，如圖4所示。

從圖4可以看出，F(xiàn)x和Fy在切削速度為30 m/min附近時達(dá)到峰值，F(xiàn)z一直保持較低的水平，約為50 N。當(dāng)切削速度為30 m/min時，F(xiàn)x和Fy分別為822 N和1 213 N。在螺紋車削加工過程中，F(xiàn)y處于重載切削狀態(tài)。

利用UG NX軟件建立該工件的三維模型，以IGES格式文件導(dǎo)入ANSYS Workbench，網(wǎng)格劃分完成后將切削力檢測結(jié)果Fx、Fy、Fz輸入到切削力各項分力中，求解后X、Y、Z三個方向的變形如圖5所示。從模擬結(jié)果來看，該工件的軸向和周向變形遠(yuǎn)小于徑向變形，由此可以說明該工件加工的徑向內(nèi)部支撐作用還不夠[6]。

2.2 工裝設(shè)計優(yōu)化

通過力學(xué)檢測和加工變形分析得出結(jié)論：該管狀工件的徑向變形較大，在加工過程中需要對內(nèi)部支撐進(jìn)行加強(qiáng)。在實際車削加工中，螺紋一端直徑的變形量約為0.03 mm，對該結(jié)論有一定驗證作用。

優(yōu)化后的工裝如圖6所示，安裝盤口部為圓錐面，楔形圓環(huán)和壓板一共同作用，使得工件和楔形圓環(huán)的接觸狀態(tài)較好，能夠保證螺紋加工過程中工件徑向受力均勻，且在不同圓周位置時工件受到楔形圓環(huán)的支撐作用[7]。原有工裝沒有楔形圓環(huán)和壓板一，安裝盤口部為圓柱面，裝夾時工件和安裝盤直徑難免有一定間隙，因此會引起殘余應(yīng)力和加工變形。圖6中的工裝很好地解決了加工變形問題，工件螺紋一端直徑變形量減小為0.01 mm。

3 螺紋車削加工試驗

3.1 刀具磨損試驗

分別選用三種不同的切削速度(15 m/min，25 m/min，35 m/min)，按已確定的徑向進(jìn)刀量切削一個完整的螺紋，然后在掃描電鏡下觀察刀具的磨損。試驗獲得的刀具磨損程度與切削速度的關(guān)系見圖7。

從試驗結(jié)果可見，在刀具材料相同的條件下，隨著切削速度的提高，刀具磨損迅速增大。螺紋實際加工過程中切削速度為35 m/min時，刀具壽命大約為一個工件的螺紋加工時間，而切削速度稍微降低時，刀具壽命得到提升，螺紋表面質(zhì)量有一定提升[8-9]。對于Ti-6Al-4V鈦合金的螺紋車削加工，選取切削速度30 m/min較為適宜。

3.2 切屑形狀研究

通過Ti-6Al-4V鈦合金外螺紋(M320 mm×4 mm)的車削試驗，依次選用了吃刀量為0.75 mm、0.30 mm、0.20 mm、0.15 mm、0.10 mm、0.075 mm等多次走刀完成螺紋加工，圖9為在不同吃刀量下的切屑形狀。可以看出，隨著進(jìn)刀次數(shù)的增加而吃刀量的減小，切屑的變形量先減小后增大。而且當(dāng)切屑變形較小時，V形切屑的兩側(cè)出現(xiàn)較大的不均勻變形。

因此，該管狀工件的螺紋加工吃刀量選用原則為：粗加工吃刀量>0.30 mm，精加工吃刀量<0.15 mm。

通過刀具磨損試驗和切屑形狀的研究，確定了該管狀工件螺紋車削切削參數(shù)組合為：精車切削速度30 m/min，吃刀量為0.10 mm，保證了車削加工效率的同時，提高了螺紋加工表面質(zhì)量[10]。

4 螺紋檢測方法

該螺紋對中徑值要求為φ317.402±0.018 mm，在加工過程中分別采用了三針+外徑千分尺、直徑使用螺紋中徑千分尺兩種方法。

三針測量法螺紋中徑d2的計算公式為：

(1)

式中：M為千分尺測得的數(shù)值，mm；d0為量針直徑，mm；α為牙型角，°；P為工作螺距或螺桿齒距，mm。當(dāng)螺紋牙型角是60°時，式(1)可簡化為：

d2=M-3d0+0.866P

(2)

三針測量時，將3根直徑相等、尺寸合適的量針放置在梯形螺紋兩側(cè)對應(yīng)的螺旋槽中，用千分尺測量兩邊量針頂點(diǎn)之間的距離M，再由式(2)換算出螺紋中徑值d2。量針直徑不能過大，必須保證量針截面與梯形螺紋牙側(cè)相切，量針直徑過小則會使量針陷入牙槽中[11]。對于螺紋牙型角是60°的梯形螺紋，量針直徑d0的最佳值為d0=0.577，P=2.308 mm。

在多件該管狀工件外螺紋加工完成后，利用三針+外徑千分尺、直徑使用螺紋中徑千分尺兩種方法進(jìn)行測量，并用高精度三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行復(fù)測。其中四組測量結(jié)果如表2所示。

該螺紋檢測實驗表明：三針加外徑千分尺測量的中徑尺寸誤差較小，而直接用螺紋中徑千分尺測量的中徑尺寸誤差較大，其誤差達(dá)到0.01 mm。因此，選用三針加外徑千分尺測量的方法較為合理。

表2 螺紋中徑測量結(jié)果

零件序號1234三針+外徑千分尺317.40317.405317.40317.405螺紋中徑千分尺317.405317.415317.41317.41三坐標(biāo)測量機(jī)317.3954317.4032317.3983317.4023

5 結(jié)語

通過對Ti-6Al-4V鈦合金大直徑螺紋加工工藝的研究，得出以下結(jié)論：

(1)選用硬度和韌性兼容的涂層螺紋車刀KC5025，并采用徑向進(jìn)刀的方式進(jìn)刀。

(2)利用切削力檢測和有限元仿真分析手段，優(yōu)化了工裝設(shè)計，將螺紋加工過程中直徑變形量從0.03 mm減小到0.01 mm。

(3)螺紋車削加工適宜切削速度為30 m/min，粗加工吃刀量>0.30 mm，精加工吃刀量<0.15 mm。

(4)螺紋檢測手段中，三針法測量的精度比直接使用螺紋中徑千分尺測量的精度高。

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Research on machining technic of Ti-6Al-4V titanium alloy screw thread with large diameter and thin thickness

LI Jianjun, TUO Chao, TIAN Liming

(Institute of Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621907, CHN)

As to Ti-6Al-4V titanium alloy screw thread with large diameter and thin thickness, transmutation of workpiece makes processing more difficult. Meanwhile, angle diameter and surface quality have to be controlled to a high level. Aiming at solving these problems, several methods are conducted. Machining tool and feeding mode are elected, and machining clamp is optimized by taking advantage of mechanics analysis and finite simulation. Better turning parameters are excavated by machining tool abrasion experiments and research on swarf transfiguring mechanism. Measure method of angle diameter is confirmed by comparing precision of different means.

screw thread with large diameter; mechanics analysis; machining experiment; angle diameter checkout

TH162

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.021

李建軍，男，1968年生，研究員，主要從事特種材料加工技術(shù)研究。

(編輯 孫德茂)

2016-05-09)

161128