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Ti－6Al－4V 鈦（tài）合金大（dà）直徑薄壁螺紋加工技術研究

2018-4-27 來源：中國（guó）工程物理研究院材料研究所（suǒ）作（zuò）者：李建軍庹超田黎明

摘要: 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，而且中徑值控製嚴格、表麵質（zhì）量要求高的情況，在加（jiā）工刀（dāo）具和進刀（dāo）方式優選基（jī）礎上（shàng），利用力學分析和模擬仿（fǎng）真手段完成了工裝的優化設計;通過刀具磨損試（shì）驗和切屑形狀研究，確定了適宜的車削加工工藝參數組合;利用螺紋中徑的檢（jiǎn）測結果對比分析，確定了較優的螺紋檢測（cè）手段，加工出了合格的（de）螺紋（wén）。

關鍵詞: 大直徑螺紋;力（lì）學分析;加工試驗（yàn）;中徑檢測

Ti － 6Al － 4V 鈦合（hé）金薄壁管狀零（líng）件如圖 1 所示，零件（jiàn）的螺紋大徑為 M320，螺距為 4 mm，壁（bì）厚僅為3 mm，徑厚比達到 102，而且型麵的尺寸和輪廓（kuò）精度要求（qiú）較高，螺紋中徑有尺寸（cùn）控製要求。Ti － 6Al － 4V 鈦合金具有良好的塑性和較（jiào）強的韌性，且導熱性差，屬於難加工材料，薄壁特點使其（qí）在加（jiā）工（gōng）過程中變形不易控（kòng）製。

該鈦（tài）合金大直徑螺紋加工技術尚不（bú）成熟，但其價格比較昂貴，需要對加工工藝進（jìn）行（háng）優化研究，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（fèn）析和模擬仿真的角度出發完成工裝的設計優化，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組合，並結合螺（luó）紋檢測結果選擇了合適的檢測方法。

1 、進刀方（fāng）式選擇

對於 Ti － 6Al － 4V 鈦合（hé）金零（líng）件的車削加工，因工件（jiàn）材料具有良（liáng）好的塑性，要求刀具有足夠的強度和韌性，螺紋加工采用肯納公司（sī）生產的螺紋車刀 KC5025，特性如表 1 所示。

螺紋車削是一種成形車（chē）削，由（yóu）於螺紋車刀與管（guǎn）狀工件成（chéng）楔形接觸，當（dāng）切削深度增大時，參與（yǔ）切削的切削刃長度大（dà）幅增加。主切削刃（rèn）和副切削刃同時參與切削（xuē），工件材料的強塑性特征使得摩擦係數較（jiào）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（luó）紋車（chē）削通常采用以（yǐ）下三種進刀方式( 如圖（tú） 2) :

( 1) 徑向進刀（dāo）: 進刀方式簡單，會產生 V 型切屑，控（kòng）製難（nán）度較大。

( 2) 側向進刀: 單側刃加工，加工（gōng）刀刃易磨損，使得（dé）螺紋牙型精度較差。

( 3) 交替進刀: 沿螺紋牙（yá）型兩側麵交替進刀，可（kě）提高刀具（jù）壽命，適用於大螺距螺紋切削，且需要在數控機床上進行特定程序設計（jì）。在（zài）大直徑螺紋加工的切削試驗中，采用了徑向（xiàng）進刀（dāo）的方（fāng）式。

該方式在螺紋車削中最常用（yòng），其優（yōu）點在於:螺紋（wén）車刀兩側切削刃所受（shòu）的軸向切削分（fèn）力有所（suǒ）抵消，從而可部（bù）分（fèn）地克服車削中因軸向切（qiē）削分力導（dǎo）致的偏（piān）斜現象，並能減小螺紋的牙型誤（wù）差。缺點在於: 車刀的兩（liǎng）側切削刃同時參加（jiā）切削，兩麵排出切屑會擠在一起，排屑較為困難; 同（tóng）時螺紋車刀（dāo）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（yòu）影響螺紋的質量。

因（yīn）此，在徑向進刀方式的螺紋車削（xuē）中，按照一般的加工工藝原則，吃刀量應逐步遞減，而且針對粗加工、半精加、精（jīng）加工進行分階（jiē）段遞減。由（yóu）於車刀容易磨損，螺紋車削加工中（zhōng）要做到勤（qín）測量。

2 、力學分析與工裝設計

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（cè）係統可檢測加工過程（chéng）中（zhōng） X、Y、Z 三個方向的分力，示意圖見圖 3，結合有限元仿真分（fèn）析出該管狀零件的受力變形（xíng）情況，進而通過工裝的優化設計改善了工件的裝夾情況。

2． 1 螺紋車（chē）削加（jiā）工力學分析

利用牌號 KC5025 螺紋車刀進行切削時，多次用到切削深度 0． 3 mm。在高速切削的情況下，切（qiē）削熱使的該鈦合金工件可能發生較為嚴重的氧化現象，且加工（gōng）過程變（biàn）得比較困難，因（yīn）此切削速度小於 60 m/min。利用（yòng） Kistler9257B 型號的三向（xiàng）測力儀，得到切深 0． 3 mm，切削速（sù）度分別為 20、30、40、50 m / min 的條件（jiàn）下的切削分力，如（rú）圖 4 所示。

可以說明該工件（jiàn）加工的徑向（xiàng）內（nèi）部支撐作用還不夠。

2． 2 工裝設（shè）計優化

通（tōng）過力學檢測和加工變形分析得出結論（lùn）: 該管狀工件（jiàn）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（jìng）的變形量約為 0． 03 mm，對該結論有一定驗證作用。優化（huà）後的工裝如圖 6 所示，安裝盤口部為圓錐麵，楔形（xíng）圓環和壓板一共同作用，使得工件和楔形圓環（huán）的接觸（chù）狀態（tài）較好，能（néng）夠保證螺紋加工過程中工件徑向受力均（jun1）勻，且在不同圓周位置時工件受到楔形（xíng）圓環的支撐作用。

原有工裝沒有（yǒu）楔形圓環和壓板一（yī），安裝盤口部（bù）為圓柱麵，裝夾時工件和（hé）安（ān）裝盤直徑難免有一定間隙，因此會引起殘餘應力和加工變形。

圖 6 中的工裝很好地解決了加工變形問題（tí），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（de）徑向進刀量切削（xuē）一個完整的螺紋，然（rán）後在掃描電（diàn）鏡下觀察刀具（jù）的磨損。試（shì）驗獲得的（de）刀具磨損程度與切削速度的（de）關（guān）係見圖 7。

從試驗結（jié）果可見，在刀具材料相（xiàng）同的（de）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（chéng）中切削速度為 35 m/min 時，刀具（jù）壽命大約為一個工件的螺紋加工時間（jiān），而（ér）切削速度稍微降低時（shí），刀（dāo）具壽命得（dé）到提升，螺紋表麵（miàn）質量有一定提升。對於 Ti－ 6Al － 4V 鈦合金的螺紋車削加工，選（xuǎn）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（jīn）外螺紋( M320 mm ×4 mm) 的車削試（shì）驗，依次選用了吃（chī）刀量為 0 ． 75 mm、0． 30 mm、0． 20 mm、0． 15 mm、0． 10 mm、0． 075 mm 等（děng）多次走（zǒu）刀完成螺紋加工，圖 9 為在不同吃刀（dāo）量下的（de）切屑形狀。

可以（yǐ）看出，隨著進刀（dāo）次數的增加而吃刀量的減小，切屑的變形量先減小後增大（dà）。而且當切屑變形較小時，V 形切屑的兩側出現較大的不均（jun1）勻變形。

因此，該管狀工（gōng）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（zhuàng）工件螺紋車削切削參數組合為: 精車切削速度 30m / min，吃刀量為 0． 10 mm，保證了車削加工效（xiào）率（lǜ）的同時，提高了螺紋加工表麵質（zhì）量。

4 、螺紋（wén）檢測方法

三針（zhēn）測量時，將 3 根直徑相等、尺寸合適的量針放置在梯形（xíng）螺紋兩側對應的（de）螺旋槽中，用千分尺測量兩邊量針頂點之間的距離 M，再由式( 2) 換算出螺紋中徑值 d2。量針（zhēn）直徑不能過大，必須保證量針截麵與梯形螺紋牙側相切（qiē），量針直徑過小則會使量針陷（xiàn）入牙槽中。

對於螺紋牙型角是 60°的梯形螺紋，量針直徑d0的最佳（jiā）值為（wéi） d0= 0． 577，P = 2． 308 mm。

在（zài）多件該管狀工件外螺紋加工完成後（hòu），利用三針+ 外徑千分尺、直徑使用（yòng）螺紋中徑（jìng）千分尺兩種方法進行測量，並用高精（jīng）度三坐標測量（liàng）機進行複測（cè）。其中四組測量結果如（rú）表 2 所示。該螺紋檢測實驗表明: 三針加外徑千（qiān）分尺測量（liàng）的中徑尺寸誤差較小，而直接用螺紋（wén）中徑千分尺測量的中徑尺寸（cùn）誤差較大（dà），其誤差達到 0． 01 mm。因此，選用（yòng）三針加外徑千分（fèn）尺測量的方法較為合理。

5 、結語

通過對 Ti － 6Al － 4V 鈦（tài）合金大直徑螺紋加工工藝（yì）的研究，得出以下（xià）結論:

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

( 2) 利用切削力檢測和有限（xiàn）元仿真分析（xī）手段（duàn），優化了工裝設計（jì），將螺（luó）紋加工過程中直徑變形量從 0． 03mm 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（jīng）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（yòng）螺紋（wén）中徑千分（fèn）尺測量的精度高。

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