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Ti－6Al－4V 鈦合金大直徑薄（báo）壁螺紋加（jiā）工技術研究

2018-4-27 來源：中國工程物理研究院材料研究所作者：李建軍庹（tuǒ）超田黎明

摘（zhāi）要: 針（zhēn）對 Ti－6Al－4V 鈦合金大直徑薄壁螺紋車削加工存在較大變形（xíng），而且中徑值控（kòng）製嚴格、表麵質量要求高的情況，在加工刀具和進刀方式優選基礎上，利用力學分析和模擬仿真手段完成了（le）工裝的優化設計;通過刀具磨損試驗和切屑形狀研究，確定了適宜（yí）的（de）車削加工工藝（yì）參（cān）數組合;利用螺紋中徑的檢測結果對比分析，確定（dìng）了較優的螺紋檢測手段，加工出了合格的（de）螺紋。

關鍵詞（cí）: 大直徑螺紋;力學分析;加工試驗（yàn）;中徑檢（jiǎn）測

Ti － 6Al － 4V 鈦（tài）合金薄壁管狀零件如圖 1 所示，零件（jiàn）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，而且型麵的尺（chǐ）寸和輪廓精度要求（qiú）較（jiào）高，螺紋（wén）中徑有尺寸（cùn）控製要求。Ti － 6Al － 4V 鈦合（hé）金具（jù）有良好的塑性和較強的韌性，且導熱性差（chà），屬於難加工材料，薄壁特點使其（qí）在加工過程中變形（xíng）不易控製。

該鈦合金大直徑螺紋加工技術（shù）尚不成（chéng）熟，但其價格比（bǐ）較昂貴（guì），需要對加工（gōng）工藝進行優化研（yán）究，保證生產合格率。對於該薄壁管狀零件螺紋的車削加工，本文從力學分析和模擬仿真的角度出發完成工裝的設計優化，結合刀具磨損試驗和切屑形（xíng）狀（zhuàng）研究，獲得（dé）了合理的切削（xuē）參數組（zǔ）合，並結合螺（luó）紋檢測結果選擇了合（hé）適的檢測（cè）方法。

1 、進刀方式選擇

對（duì）於 Ti － 6Al － 4V 鈦合金（jīn）零件（jiàn）的車削加工（gōng），因工件材料具有良好的塑性，要求刀具有足（zú）夠（gòu）的強度和韌性，螺（luó）紋加工采用肯納公司生產的螺（luó）紋車刀 KC5025，特性（xìng）如表 1 所示。

螺紋車削是一種成形車削（xuē），由（yóu）於螺紋車刀與管狀（zhuàng）工件成（chéng）楔形接觸，當切（qiē）削深度增大時，參與切削（xuē）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（liào）的強塑性特征（zhēng）使（shǐ）得摩擦係數較（jiào）大，因此該鈦（tài）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（zhǒng）進刀方式( 如圖 2) :

( 1) 徑向進刀: 進刀方式簡單，會產生 V 型切屑，控製難度較大。

( 2) 側向進刀: 單側刃加（jiā）工，加（jiā）工刀刃易磨損，使得螺紋（wén）牙型精度較差。

( 3) 交替進刀: 沿螺（luó）紋牙型兩（liǎng）側麵交替進（jìn）刀，可提（tí）高刀具壽命，適用於大螺距螺紋切削，且需要（yào）在數控（kòng）機床上進行特定程序設計。在大直徑螺紋加工的切削試驗中，采用了徑向進刀的方式。

該方式在螺紋車削中最常（cháng）用，其優點在於:螺紋（wén）車刀兩（liǎng）側切削刃所受的軸向切削分力有所抵消（xiāo），從（cóng）而可部分（fèn）地克服車（chē）削中因軸向切削分（fèn）力導致的偏斜現象，並能減小（xiǎo）螺紋的牙型誤差（chà）。缺點在於: 車刀（dāo）的兩側切削刃同時參加切削，兩麵排出（chū）切（qiē）屑會擠在一起，排（pái）屑較為困（kùn）難; 同時螺紋車刀的受力和受熱情況較為嚴重，刀尖易磨損; 當吃刀量較大時，容易產生“紮刀”現象，既易損壞刀具又影響螺紋的質量。

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

2 、力學分（fèn）析與工裝設計

該薄壁管狀螺紋車削加（jiā）工的切削力較大，各方（fāng）向上的分力不一樣。利用切削力在線檢測係統可檢測加工過程中 X、Y、Z 三個方（fāng）向的分力，示意（yì）圖見圖 3，結合有限元仿真分（fèn）析（xī）出該管狀零件的受（shòu）力變形情況，進而通過（guò）工裝（zhuāng）的優（yōu）化設計（jì）改善了工件（jiàn）的裝夾情況。

2． 1 螺紋車削加工力學分析

利用牌號 KC5025 螺紋車刀進行切削時（shí），多次用到（dào）切削深度（dù） 0． 3 mm。在（zài）高速切（qiē）削的情況下，切削熱使的該鈦合（hé）金（jīn）工件可能發生較為嚴重的氧化現象，且加工過程變得比較困難，因此切削速度小於 60 m/min。利用 Kistler9257B 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（xuē）分力，如圖 4 所示。

可以說（shuō）明該工件加工的徑向內部支撐作用還不夠。

2． 2 工裝設計優化

通（tōng）過力（lì）學檢測和加工（gōng）變形分析得出結論: 該管狀工件的徑向變形較（jiào）大，在加工過程（chéng）中需要對內部（bù）支撐進行加強。在實際車削加（jiā）工中（zhōng），螺紋一端直徑（jìng）的變形（xíng）量約（yuē）為 0． 03 mm，對該結論有一定驗證作用。優化後的工（gōng）裝如圖 6 所（suǒ）示，安裝盤口部為圓錐麵，楔形圓環（huán）和壓板一共同作用，使得工件和楔形圓環的接觸狀態較好，能夠保證螺紋加工過程中工件（jiàn）徑向受力均勻，且在不同圓（yuán）周位置時工件受到楔形圓環的支撐作用。

原有工裝沒有楔形圓環和壓（yā）板一，安裝盤口部（bù）為圓柱麵，裝夾時工件和安（ān）裝盤直徑難免有（yǒu）一定間隙，因此會引起（qǐ）殘餘應力和加（jiā）工變形。

圖 6 中（zhōng）的工裝很好地解決了加工變形問題，工件（jiàn）螺（luó）紋一端直徑變形量減小（xiǎo）為 0． 01 mm。

3、螺紋車削加（jiā）工試驗

3． 1 刀具磨損試驗

分別選用三種不同的（de）切削速度( 15 m/min，25 m/min，35 m / min) ，按已確定的徑向進刀量切削一個完整的螺紋，然後在掃描（miáo）電鏡下觀（guān）察刀具的磨損。試驗獲得（dé）的刀（dāo）具磨損程度與切削速度（dù）的關係見圖 7。

從試驗結果可見，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（wén）實際（jì）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（shāo）微降低時（shí），刀具壽命得到提升，螺紋表麵質量有一定提（tí）升。對於（yú） 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（jiū）

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（dāo）量為 0 ． 75 mm、0． 30 mm、0． 20 mm、0． 15 mm、0． 10 mm、0． 075 mm 等（děng）多次走刀完成螺紋加工，圖 9 為在不同吃刀量下的（de）切屑形狀。

可以看出，隨著進刀（dāo）次數的增（zēng）加而吃刀量的減（jiǎn）小，切屑的變形量先減小後增大。而且當切屑變形較小時，V 形切屑的兩側出現較大的不均勻變（biàn）形。

因此，該管狀（zhuàng）工件的螺（luó）紋加工吃刀（dāo）量選用（yòng）原則為:粗加工吃刀量＞ 0． 30 mm，精加工吃（chī）刀量＜ 0． 15 mm。通過刀具磨損試驗和切屑形狀的（de）研究，確（què）定了該管狀工件螺紋車削（xuē）切削參（cān）數組（zǔ）合為: 精車切（qiē）削速（sù）度 30m / min，吃刀（dāo）量為 0． 10 mm，保證了車削加工效率的同時，提（tí）高了螺紋加工表麵質量。

4 、螺紋檢測方法

三針測量時，將 3 根直徑（jìng）相等、尺寸合適的量針放置（zhì）在梯形螺紋兩側對應的螺旋槽中，用（yòng）千分尺測（cè）量兩邊量針頂點之間的（de）距離 M，再由（yóu）式( 2) 換算出（chū）螺紋中徑值 d2。量針直徑不能（néng）過大，必須（xū）保證量（liàng）針截麵與梯形螺紋牙側相切，量針直徑過小則會使（shǐ）量針（zhēn）陷入牙槽中。

對於螺紋牙（yá）型（xíng）角是 60°的梯形螺紋，量針直（zhí）徑d0的（de）最佳（jiā）值為 d0= 0． 577，P = 2． 308 mm。

在多件該管狀工件外螺紋加工完成後（hòu），利用三針+ 外徑（jìng）千分尺（chǐ）、直徑使用螺紋中徑千分尺兩種方法（fǎ）進（jìn）行測（cè）量，並用高精度三（sān）坐標測量機進行複測（cè）。其中四組測量結（jié）果如表 2 所示。該螺紋檢（jiǎn）測實驗表明: 三針加外徑（jìng）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（chǐ）測量（liàng）的中徑尺（chǐ）寸誤差較大（dà），其誤差（chà）達到 0． 01 mm。因此，選用三針加外徑千分尺測量的方法較為合理。

5 、結語

通過（guò）對（duì） Ti － 6Al － 4V 鈦合金大直徑螺紋加工工藝的研究，得（dé）出以下結論:

( 1) 選用硬度和韌性兼容的塗層螺紋車（chē）刀（dāo）KC5025，並采用徑向進刀的方式進刀。

( 2) 利用切削力檢（jiǎn）測和有限元仿真分析手段，優化了工裝設計，將螺紋加工過程中直徑變形量從（cóng） 0． 03mm 減小到 0． 01 mm。

( 3) 螺紋（wén）車削加（jiā）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（wén）檢測手段中，三（sān）針法測量的精度比直接使用螺紋中徑千分尺測量的（de）精度高。

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