Ti2AlNb合金深細孔的高效切削加工工藝技術研究

蘇云玲 周 賀 劉月萍 羅遠鋒

（北京動力機械研究所，北京 100074）

Ti2AlNb合金深細孔的高效切削加工工藝技術研究

蘇云玲 周 賀 劉月萍 羅遠鋒

（北京動力機械研究所，北京 100074）

以某航空航天發動機用頭部裝置支板的加工為例，針對Ti2AlNb合金的材料特性、切削性能，研究了長徑比為30倍的深細孔高效切削加工工藝技術。通過對不同刀具及其切削參數進行切削試驗驗證，給出了適用的刀具及其切削參數，并總結出了一套適用于Ti2AlNb合金深細孔高效切削的加工工藝方法。為TiAl基類輕質難加工合金材料的高效切削技術研究提供了思路。

航空航天發動機；Ti2AlNb；深細孔；高效切削

1 引言

Ti2AlNb合金材料是一種輕型、優質的高溫合金材料，因為密度低且高溫性能優越，成為航空航天發動機核心承力件材料的首選。但由于導熱性較差，且質粘，導致其切削性能較差，尤其在深細孔的加工方面，多采用全切深啄鉆的方式進行加工，加工效率低下且刀具成本較高。加工完成的孔壁表面粗糙，導致產品實際工作性能的減退甚至無法使用。

本文針對Ti2AlNb材料深細孔的高效切削技術，以某型號發動機支板的加工為例，開展了深入研究，通過試切總結出了一套適用于Ti2AlNb合金深細孔高效切削的刀具參數，并給出了適用的加工工藝方案。

2 切削參數對刀具壽命的影響規律

由于Ti2AlNb合金為耐熱合金，所以在高溫環境下具有很好的耐熱特性。但因其熱傳導性較差，在切削過程中產生的熱量不能快速傳導出去并散發，所以其切削性能極差，導致在切削區域產生較高的切削溫度，刀具溫度也隨之升高，進而對刀具的使用壽命及磨損形態產生較大影響。在刀具磨損與耐用度對比試驗中，刀具正常切削階段的磨損主要由較高的切削溫度引起，占主導地位的磨損形式為熱磨損[1]。

以Ti2AlNb材料支板深細孔的加工為例，通過開展正交試驗，研究了Ti2AlNb合金切削用刀具的壽命即刀具切削總深度隨切削速度、進給量、切削深度三要素的變化規律，可用于優化選擇切削工藝參數，從而獲得較好的刀具耐用度。正交試驗中，根據Ti2AlNb合金的材料特點、深細孔的結構特征，選取切削速度、進給量、切削深度三個因素，每個因素選取四個水平：切削速度分別為 10m/min、15m/min、20m/min、25m/min；進給量分別為5mm/min、10mm/min、20mm/min、30mm/min每刀切削深度分別為0.5mm、2mm、5mm、10mm。試驗參數的正交組合和相應的刀具切削總深度L的測量結果如表1所示。

表1 正交切削試驗與結果分析

對表1中的數據進行極差分析，可知切削速度對Ti2AlNb切削用刀具耐用度影響最大，進給量次之，切削深度的影響最小。且當切削速度為15mm/min左右時，刀具耐用度最好，當低于或高于此范圍時，刀具耐用度都會出現一定程度的下降。同時為了盡可能地提高刀具耐用度，應優先考慮降低進給量。另外，由表1可知，最優的切削參數組合為A2B1C2，即要想減少刀具磨損，進而獲得較長的刀具壽命，推薦采用的切削參數為：切削速度v=15m/min，進給量為F=5mm/min，切削深度ap=2mm。

3 切削參數對表面粗糙度的影響規律

Ti2AlNb合金相對于其它普通金屬材料，具有強度高、韌性好、熱導率低及高溫特性好的優良特性，與此同時，也對其切削加工產生了一系列不利的影響，如切削力較大，切削溫度高，切削熱無法快速導出，加工硬化現象嚴重，容易產生積屑瘤，刀具磨損較快，切屑不易折斷等等，因此，材料的切削加工性較差。而傳統的加工方法因為刀具材質、切削刃形式、切削參數、加工工藝等因素的影響，表面加工質量的差異性較大。

在攻關過程中，根據材料的切削特性，選用所定制的整體硬質合金深孔鉆，采用不同的切削參數進行試切實驗，通過實驗結果對不同參數條件下孔壁表面的表面粗糙度進行了比較、分析。通過對數據進行極差分析，可知進給量對Ti2AlNb材料孔加工表面的表面粗糙度影響最大，切削速度次之，切削深度的影響最小。因為在支板深細孔的加工中，刀具耐用度是首要考慮因素，綜合考慮加工表面粗糙度，推薦采用的刀具參數為：切削速度 v=15m/min，進給量為F=5mm/min，切削深度ap=2mm。

4 切削參數對切屑形態的影響規律

當刀具結構相同時，不同的切削參數所形成的切屑形態是不同的。普通切削速度下，切屑的形貌與被切削材料的力學性能及物理性能之間有著非常重要的關系[2]。比如，當金屬材料塑性較大時，形成的切屑多為條帶狀；當金屬材料偏脆性時，形成的切屑多為獨立的片狀切屑；而當金屬材料本身硬度較高或熱物理性能較差時，則切屑多成鋸齒狀。而不同的切屑形態對金屬切削過程中的刀具磨損、排屑及加工表面質量等都具有重要的影響。相反，刀具切削參數、工件材料等對切屑形態也有很大影響。對任何一種金屬材料及同一種刀具，在切削參數的整個變化區間內，總有一組參數，可以使切削速度、切屑形態及刀具耐用度等達到最佳狀態，即切削效率最高，表面質量最好，刀具壽命最長。

Ti2AlNb材料中鈮的含量較高，粘性較大，且導熱性差，所以切削過程中產生的切削熱不能快速散熱，導致刀具磨損較快，刀具耐用度較差，不同切削狀態下產生的切屑形態也不一樣。對比如圖1所示。

5 深細孔的加工工藝

通過試切法，從刀具磨損情況、刀具尺寸及其加工后的孔尺寸對比、切屑狀態、切削聲音等方面進行分析、對比，最終確定了適用于Ti2AlNb基合金深細孔的高效加工工藝方案，流程為引導孔加工→初始進刀→初始切削→正常切削→退刀。

5.1 引導孔加工

首先用引導鉆加工出1.5D～2D深度的引導孔，如圖2所示。其中，D為待加工孔的直徑，確保引導孔深度滿足對深孔鉆刀具的定心和引導作用，避免刀具在加工過程中因震顫、離心作用影響而導致孔徑偏大和孔壁表面粗糙度較低；在引導孔深度方向均勻取三個截面測量孔徑，要求孔徑偏差不大于0.05mm。從而可以保證引導孔與深孔鉆之間動態間隙為0.02～0.05mm，加強引導孔對深孔鉆刀具的引導和定心作用，提高孔的加工精度。

5.2 初始進刀

將主軸轉速設置為100～200r/min并開啟主軸，刀具內部冷卻系統不開啟，以3～5m/min的線速度進刀至引導孔，并達到1～1.4D深度，如圖3所示。其中D為待加工孔直徑。

較低的主軸轉速設置可以有效減小刀具旋轉過程中的離心力，保證刀具的動態穩定性，同時對引導孔起到一定的校正作用。

5.3 初始切削

提高主軸轉速至250～300r/min，設置進給量為F30～50mm/min，內部冷卻液壓力為30bar，切削至3D深度，其中，D為待加工孔直徑。

在進入引導孔的初始階段，因為深孔鉆進入深度較淺，合理設置主軸轉速，可以有效減小刀具旋轉過程中的離心力，保證刀具的動態穩定性，同時對引導孔起到進一步的校正作用。

5.4 正常切削

提高主軸轉速至350～400r/min，調節內部冷卻液壓力至15～20bar，進行正常切削。當深孔鉆刀具深度達到3D以上時，引導孔的定心和引導作用得到充分發揮，所以可以設置較高的主軸轉速。

5.5 退刀

全切深加工完成后，降低主軸轉速至 100～200r/min，同時關閉刀具內部冷卻系統，刀具沿孔中心軸線方向退刀至工件外部。

6 切削質量及效率對比

在深細孔的傳統加工方法中，多采用普通麻花鉆加工或者電火花加工[3]。因為刀具性能、切削刃結構、加工工藝或者是加工設備本身的客觀限制，傳統加工方法不僅加工質量差，而且加工周期長，效率低下。通過針對Ti2AlNb材料的高效切削開展相關技術研究，確認了適用的刀具、切削參數及其Ti2AlNb基合金材料深細孔加工工藝。

表2 高效切削方式與普通深孔鉆加工、電加工方法效果對比

其實際切削效果與普通深孔鉆加工、電加工等傳統加工方法的對比如表2所示。由表2可以看出，通過研究所得的高效切削方法進行加強筋內孔的加工明顯縮短了加工時間，提高了加工效率。加工完成的孔壁表面質量有明顯改善。

7 結束語

針對Ti2AlNb基合金材料的高效切削，通過技術研究確定了切削參數對刀具耐用度、切削表面粗糙度及切屑形態的影響規律，給出了適用于Ti2AlNb合金高效切削的刀具及其切削參數，并總結出了適用的高效切削加工工藝方案。通過實際加工驗證，本文的研究成果可有效提高Ti2AlNb基合金的切削效率，實現長徑比為30倍的深細孔的高效切削。

1 蘇國勝.高速切削中切削速度對工件材料力學性能和切屑形態的影響機理[M].北京：中國科學雜志社，2012

2 趙如意.深孔鉆削切屑形態的研究[M].北京：新技術新工藝雜志社，2010

3 王竣.現代深孔加工技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業出版社，2005

Efficient Machining Technology Research of Deep Pores in Ti2AlNbAlloys

Su Yunling Zhou He Liu Yueping Luo Yuanfeng
(Beijing Energy Machine Institute,Beijing 100074)

Taking a head supporting device used for aerospace engine as an example,the deep pores that the length to diameter ratio is 30 times efficient machining technology is studied based on the material characteristics and cutting performance of Ti2AlNb alloys.The suitable cutting tool and cutting parameters are given,and a set of suitable method is summarized for Ti2AlNb alloys deep pores efficient cutting based on different cutting tools and its cutting parameters on cutting test.A train of thought is provided for high efficient cutting technology research of TiAl base class of lightweight difficult-to-cut alloys.

aerospace engine；Ti2AlNb；deep pores；efficient-cutting

蘇云玲（1976-），高級工程師，機械制造及其自動化專業；研究方向：三元流整體葉輪的五軸精密數控加工。

2016-12-19