* 高强钛合金小直径深孔加工工艺 侯忠海① 张光德① 杜 涛② ( ， 430081 ; ① 武汉科技大学汽车与交通工程学院 湖北武汉 ， 430063 ) ② 武昌船舶重工有限责任公司钛合金工程技术应用研究所 湖北武汉 : ， 、 摘 要 介绍了钛合金及钛合金螺纹孔的成型工艺技术进展 分析了刀具材料 刀具结构等因素对加工工艺 。 ， 、 的影响 进行了切削加工试验 从刀具材料 结构等方面探讨了解决高强钛合金钻削和攻丝加工过 、 、 。 ， 程中存在烧刀 断钻 刀具磨损等问题的途径 对相关切削液进行了分析 并配制了适合高强钛合 。 : W2Mo9Cr4VCo8 W18Cr4V 、 金加工的切削液 试验结果表明 材料 制造的刀具和钻头比 硬质合 (YG8) ; ， 金 制造的更适合高强钛合金的钻削和攻丝加工 根据不同的材料尺寸 选用了对刀具的顶 、 ， ; ， 角 螺旋角和钻心厚度进行研究 得出合适的刀具结构参数和切削量 对切削液进行研究 得出使用 ， ， ， 动物脂肪如猪油等 对高强钛合金进行攻丝加工时具有很好的润滑及冷却作用 提高了切削效率 延长了刀具寿命。 : ; ; ; 关键词 钛及钛合金 钻削 攻丝 冷却液 中图法分类号:TG62 文献标识码:A The rolling process of the deep hole for high strength titanium alloys HOU Zhonghai① ，ZHANG Guangde① ，DU Tao② ( School of Automobile and Traffic Engineering ，Wuhan University of Science and Technology ，Wuhan 430081 ，CHN ; ① ②Wuchang Shipbuilding Industry Co． ，Ltd． ，Wuhan 430063 ，CHN) Abstract :The process of titanium alloys threaded holes is introduced． The influence of cutting － tool material and structure to the process technology are analyzed ，and many cutting tests are conducted to find out the reasons why knives burning ，drill breaking and cutting － tool wearing and other problems appear during the process are investigated from tool material and structure and improving measures are given out． Cut- ting fluids are discussed and corresponding cutting fluids are prepared． The tests prove that cutting tools and bits made by W2Mo9Cr4VCo8 are better than W18Cr4V and YG8 to the process of cutting and drill- ing for high strength titanium alloys． Animal fat like lard could improve the lubrication and cooling con- dition well during tapping process of titanium alloys and increase service life of cutting － tool． Keywords :titanium and titanium alloys ;drilling ;tapping ;cutting fluid 、 、 。 钛及钛合金的机械性能好 溶度小 比强度高而又 深入研究 ， 、 ， 耐腐蚀 在核电 生物医药和化工业中应用广泛 且在 1 钛合金加工特性分析 、 汽车 航海及航空等领域的应用已经成为高新技术的 。 ， 1． 1 重要标志 但在实际应用过程中 钛合金材料的优良 钛合金性能特点 ［1］ ， 3 : ， + 性能也成为加工时的难点所在 特别表现在对其进行 钛合金可分为 种 α 钛合金 β 钛合金和α β 。 。 + ， TC4 (Ti － 6Al － 4V)， 小直径深螺纹孔机械加工的过程中 加之钛合金装备 钛合金 α β 钛合金 如 此种钛 ， ， ， ， 制造及工程应用是新兴产业 缺乏这方面的经验 也没 合金由α 和β 双相组成 这类合金组织稳定 高温变形 ， 、 ， ， 有相关的技术资料可以借鉴 因此有必要寻求高强钛 性能 韧性和塑性较好 能进行淬火和时效处理 使合 ， 。 合金小直径深螺纹孔成型的技术方案 并对工艺进行 金强化 钛合金的性能特点主要表现为弹性模量小且 * 国家自然科学基金资助 · 60 · ［2］ 、 、 。 ， ， 比强度高 热强性高 化学活性大且导热性差 因此 在钛合金切削过程中 含钴高速钢具有高的切削 1． 2 钛合金加工特性 加工性能。 由 ， 1 /4、 于钛合金导热系数小 仅是钢的 铝及其合 1 /13、 1 /5、 1 /25， ， 金的 铁的 铜的 因而散热慢 不利于 ， ， 热平衡 特别是在钻孔和攻丝加工过程中 散热和冷却 ， ， ， 效果很差 在切削区形成高温 加工后回弹大 造成钻 ， ， 。 头和丝锥扭矩增大 刃口磨损快 耐用度降低 钛合金 ， 600 ℃ ， 切削加工时温度高 在 以上时 与周围的气体发 ; ， 生化学反应 钛合金的塑性低 特别是当和气体发生化 ， ， ， ; 学反应后 硬度增加 在加工时 使刀刃容易发生破损 ［3］ 其弹性模量低 ， ， 钛材在室温下塑性较差 弹性模量 ， 表1 W2Mo9Cr4VCo8 的化学成分(%) 随温度升高而连续递减 弹性变形大提升了钛的切削 ［4］ ; ， 。 加工难度 加工过程中 粘刀现象严重 C Si Mn Cr 1． 05 ～ 1． 15 0． 40 0． 40 3． 8 ～ 4． 4 ≤ ≤ 2 钻削加工工艺 Mo W V Co 2． 1 钛合金钻削加工 9． 0 ～ 10． 0 1． 0 ～ 2． 0 0． 8 ～ 1． 5 7． 5 ～ 8． 5 在 、 加工过程中极易出现烧刀 断钻及刀具磨损快 ， ， 、 2． 1． 2 等问题 为了解决这些问题 重点在钻头的材料 几何 钻头几何参数 参数和切削参数等方面进行了试验研究。 标准麻花钻头钻削加工钛合金时存在许多问题， 2． 1． 1 钻头材料 根据项目攻关时的结论结合陈思涛［6 － 7］的 ， 观点 麻花 : : 对切削钛合金的刀具材料有以下要求 足够的硬 钻头钻削钛合金的难点主要表现在 ; ; ; (1) 2 ， ， ， 度 足够的强度和韧性 足够的耐磨性 刀具材料与钛 顶角  小 切削刃长 使钻头扭矩大 轴向抗 ［5］ 合金亲和能力要差 ; ， 。 ， ， ， 在实际加工试验中 应尽可能 力也大 同时 切屑卷曲程度大 切屑所占的空间大 ， 。 ， 。 减小对钻头的伤害 保证加工质量 排屑不顺畅 影响冷却 W18Cr4V 、 (YG8 ) (2) ， ， 对常用的刃具材料 硬质合金 以 螺旋角小 螺旋角β 影响主切削刃的前角 螺 及专用材料W2Mo9Cr4VCo8 等制造的钻头进行切削 ， 。 旋角大 切削轻快 ， W2Mo9Cr4VCo8 (3) K ， 试验 结果表明由材料 制造的钻头加 钻芯厚度 小 钻削加工时钻头受扭矩和轴 、 ， ， ， ， ， 。 工钛合金时刃口锋利 磨损小 孔壁表面质量较高 切 向抗力大 钻芯厚度小 则强度低 钻头易折断 ( 1)， ; 5 。 屑为带状切屑 见图 切削过程最平稳 由材料 钻头的各基本参数见图 W18Cr4V ( 2 )， 制造的钻头磨损明显 见图 产生单元切 ( 3 )， ; YG8 屑 见图 其切削力波动最大 由材料 制造的 ( 4 )， 。 钻头产生挤裂切屑 见图 孔壁质量较差 ， 为了找出适合钛合金加工的钻头 实验从钻头顶 、 3 。 角 螺旋角及钻芯厚度 个方面进行了研究 (1) 2 选择合适的钻头顶角  3 : 实验主要从以下 个方面对顶角进行研究改进 ， ， ， W2Mo9Cr4VCo8 ， ① 当钻头直径和进给量一定时 增大顶角 同时 是高速钢的一种 该材料制造的 ， ， ， ( 减小钻头刀尖角 刀尖角的磨损速度降低 耐用度 钻头适合加工钛合金 与其化学成分有关 摩尔比见 1)。 7． 5% ～ 8． 5% ， 上升。 表 该材料含有 的金属元素钴 钴能 90° ， 。 ， 。 ② 当顶角等于 时 轴向截面为主截面 增大 提高红硬性和热处理后的硬度 也具有良好的散热性 · 61 · 顶 2 ， 。 ， ， 角  钻心处的切削得到改善 验时 相同孔径选用不同切削速度及进给量 观察加工 ， ， ， ， 。 ③增大顶角 减小切屑卷的螺旋度 容易排出 提 效果及刀具磨损情况 并进行相应调整 高了排屑性能。 3 表 钻头直径与切削用量的关系 ， 2 ， 通过分析 在加工钛合金时应增大钻头顶角  钻头直径d /mm 切削速度v / (mm /min) 进给量f / (mm /r) 其范围是 135° ～ 140°。顶角与切削厚度 ac 有如下 3 0． 01 ～ 0． 03 ≤ ［7］ 关系 : 3 ～ 6 5 ～ 7 0． 04 ～ 0． 06 ac =f sin/ 2 6 ～ 10 0． 07 ～ 0． 10 (2) 选择合适的钻头螺旋角β 10 ～ 15 0． 11 ～ 0． 13 钻 。 头螺旋角β 直接影响主切削刃前角 β 角增 15 ～ 20 0． 13 ～ 0． 15 ， ， ， ， 大 前角增大 切削轻快 易于排屑 扭矩和轴向力也 20 ～ 25 7 ～ 10 0． 16 ～ 0． 20 。 : 小 螺旋计算公式如下 tanβ = πd /P 25 ～ 30 0． 21 ～ 0． 24 :d ;P 。 30 ～ 35 0． 24 ～ 0． 27 式中 为钻头直径 为螺旋槽导程 。 切削刃上各点β 角是变化的 靠近外缘处β 角最 ＞ 35 ≤13 0． 27 ～ 0． 30 ， ， ， ; 大 前角也最大 切削刃锋利 切削性能好 靠近钻心处 ， ， ， β 角最小 切削性能较差 将此处磨成圆弧状 以改善 切削条件。 ， ， ， 随β 角增大 切削刃强度减弱 磨损快 甚至会有 。 ， 切削刃烧毁等现象 因此合理选择β 角 以适合钛合 。 ， 金钻削加工 通过研究 加工钛合金时钻头的螺旋角 β 随钻头直径的变化见表2 。 2 表 不同规格钻头的螺旋角 钻头直径d /mm 2 ～ 6 6 ～ 18 18 ～ 50 螺旋角β / (°) 43 ～ 45 40 ～ 42 35 ～ 40 刀 ， VB ( 具进行钻削实验后 用对刀仪检测 后刀面 (3)增大钻芯厚度K ) 。 6 ， 平均磨损宽度 评判磨损量 图 为实测图 此对刀 ， 钻芯厚度小则强度低 钻削加工钛合金时钻头承 20 ， 仪最大放大系数为 通过投影直观地观察磨损部位 ， ， 受很大扭矩和轴向反力 小直径钻头 钻头易发生折 ， 。 及磨损量 并数字显示实测数据 ， 。 断 需增大钻芯厚度以提高强度 一般刀具钻芯厚度 4 表 钻头改进参数 K d : 与钻头直径 的关系 钻 d /mm 2 d 6 6 ＜ d 18 18 ＜ d 50 K = (0． 45 ～ 0． 32)d 头直径 ≤ ≤ ≤ ≤ 对于钛合金一般调整为［8］: 材料 W2Mo9Cr4VCo8 d ＜ 5 mm ，K = 0． 4 d ;d = 6 ～ 10 mm ，K = 0. 3 2 / (°) 135 138 140 时 时 顶角  d ;d ＞ 10 mm 时，K = 0． 25 d 。 螺旋角β / (°) 43 ～ 45 40 ～ 42 35 ～ 40 钻 ， ， 削速度宜低 以免烧刀 速度过小则因刀刃在加 钻芯厚度K 0． 35d 0． 40d 0． 45d ; ， 工硬化层中工作而磨损过快 切削深度可较大 使刀尖 ， 。 、 在硬化层以下工作 有利于提高刀具耐用度 根据实 在考虑加工平稳性 表面质量及加工效率并兼顾 ， ， 际工况选择合适直径的钻头 可使钻头耐用度提高几 刀具磨损后 总结出比较合适高强钛合金钻削加工的 。 ， 3 ， 4 。 十倍 经过分析 钻头直径与切削用量之间有如表 切削参数 改进方案如表 所示的关系。 2． 2 钛合金的攻丝加工 2． 1． 3 钻削参数 ， 钛合金小直径深孔攻丝是很困难的 主要原因之 ， ， ， ， 钻削时 随着进给量改变 切削力不会显著变 一是钛合金导热系数小 攻丝时在加工区形成高温 造 化［9］。在用W2Mo9Cr4VCo8 制造的钻头进行切削试 ， ， 成钛合金热膨胀 且加工后回弹量大 若强行转动丝锥 · 62 · 将会使其折断。 2． 2． 3 螺纹底孔设计 2． 2． 1 ， 丝锥材料 螺纹公差带位置和精度等级确定后 在满足内螺 、 、 d ， 丝锥材料一般有普通高速钢 钴高速钢 粉末高速 纹小径 1 公差等级的情况下 可适当加大螺纹底孔直 。 ， (W18Cr4V) ， 钢和硬质合金 试验时 选用特殊高速钢 径 冷却后螺纹底孔的收缩量能够抵消这一部分加大 和W2Mo9Cr4VCo8 高速钢材料的丝锥。 ， 。 ， 量 从而满足设计精度要求 随情况改变 螺纹底孔的 2． 2． 2 丝锥结构形式 ， ， 加大量也不同 根据分析 最终选择的具体数据见 。 6 。 丝锥由工作部分和柄部构成 对丝锥有表面预处 表 ( TiN 、TiCN 、CrN TiAlN )， 理 如 或 这些耐热光滑的涂 6 表 高强钛合金螺纹底孔增大量 ， 。 层 减小了切削阻力并允许在更高的切削速度下攻丝 mm 钛合金牌号 钻头直径d 底孔增大量 3 0． 02 ≤ ≤ 3 ～ 10 0． 03 ≤

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