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TA10 鈦合金的深孔鑽削技術研究

2018-4-20 來（lái）源：西（xī）安石油大學機械工程學院作者：趙超

摘要: 本文通過實驗分析（xī）了對 TA10 材料進行（háng）深孔加工的難點和解決方（fāng）法，並進行了加工試驗，優化了刀具（jù）角度，分析了加工刀具的磨損機理。取得了較好的加（jiā）工效果，對 α 型鈦合金的深孔鑽削有一定的參考意義。

關鍵詞: TA10 鈦合金; 深孔鑽削; 刀具（jù）設計; 磨損機理

TA10( Ti － 0． 3Mo － 0． 8Ni) 鈦合金（jīn）屬於近 α 鈦合金的一（yī）種，一般（bān）情況下以鍛造、擠壓、軋製（zhì）和拉拔的（de）鈦合金圓棒、矩形棒形態。是 20 世（shì）紀 70 年代中期美國研（yán）究開發的 Ti － 12合金，具有很強的抗縫隙（xì）腐蝕能力（lì）。

在 300℃ 時抗拉強度是工業純鈦的將近（jìn）兩（liǎng）倍，抗還原性介質腐蝕能力（lì）強（qiáng），在 150 ～200℃ 的（de）氯化物（wù）中能夠不發生（shēng）腐蝕現象。並且 TA10 材料不含稀有金屬，加工性能相對較好。在一些純鈦可能出現縫隙腐蝕（shí）的環境中（zhōng）得到廣泛應用。TA10 鈦合金工藝性能優（yōu）良，可以在 850 ～ 950℃ 的範圍內（nèi）進行鍛軋，在盡可（kě）能低的（de）溫度下進行熱加工，可使表（biǎo）麵汙染減至最低，為了防止材料（liào）吸氫產生氫脆現象，需（xū）要在氧化環境中進行加熱。其具有優良的可塑性和彎曲性能。在250℃ 環（huán）境中成型可（kě）以減小回彈（dàn）。通常采用氬氣保護鎢極電弧焊，在焊接溫度達到（dào） 430℃ 以上為避免 C、N、H、O 的汙染需（xū）要特殊保護。TA10 材（cái）料具有以（yǐ）下特點:(1) 有較高的設計應力;(2) 在氧（yǎng）化性介質中具有（yǒu）等於或超越純鈦的耐腐蝕性能;(3) 在還原性（xìng）介質中（zhōng）耐蝕性優於（yú）純鈦;( 4) 在高溫氧化物中具有較好的（de）抵抗縫隙腐蝕的能力;( 5) 成本較低。因此 TA10 材料作為熱交（jiāo）換器、管式反應器、蛇形管、結晶器等在化工、輕工（gōng）、核工業、環境保護等領域發展迅速。其機械性能與其他材料對比特性比較明顯。

表 1 TA10 與 TA2 純鈦和 45#鋼的機械性（xìng）能對比

從表1 中可（kě）以（yǐ）看出 TA10 鈦合金具有優良的機械性能，其強度在高溫區域變化幅度較小，其密度隻有（yǒu） 45#鋼的一（yī）半，強度較純鈦類材料高，在硝酸蒸汽中（zhōng）耐腐蝕性遠（yuǎn）優於純鈦類材料。其彈性模量值（zhí）較小，變形（xíng）係數小於1，導致鈦合金材料（liào）在進行加工時（shí）已加工表（biǎo）麵回彈嚴重，鑽（zuàn）削時會產生長薄卷曲型切屑，排屑困難（nán），並且鈦合金化學活性大，在加工表麵容易形成硬化層，導致加（jiā）工表麵硬度和脆（cuì）性提高，粘刀現象嚴重。其熱傳導係數（shù）隻有 45#鋼的一半左右，在進行鑽削時散熱困難，切削熱過大，容易引起（qǐ）刀具磨損或者刀具失效。尤其在進行深孔加工這種特殊的加工方式時，對刀具的磨（mó）損嚴重，加工質量、加工效率無法保（bǎo）證。針對 TA10 材料的難加工性，本文從刀具角度出發進行了實驗（yàn）分析（xī）。

1、試驗設備與工件

加（jiā）工係統: 對（duì） TA10 的深孔鑽削試驗采用 BTA 深孔鑽（zuàn）削係統進行鑽（zuàn）削試驗，係統機床為 CW6163D 深孔加工機床; 鑽頭使用 φ54 mm 五齒深孔鑽鑽頭，如圖 1; 刀片材料為 YG8，刀具角度如圖 2。該深孔鑽係統是深孔（kǒng）加工常用的係統，加工範圍廣，加工質量較高。

圖 1 鑽頭結構示意圖

圖 2 鑽頭角度示意圖

掃描電子顯微鏡 JSM － 6390A: 掃麵電子顯微鏡是一種利用電子束掃（sǎo）描樣品表麵從而獲得樣品信息的電子顯（xiǎn）微鏡。

它能（néng）產生樣品表麵的高分辨率圖像，且圖像呈三（sān）維，掃描電子顯微鏡能被用（yòng）來鑒定（dìng）樣品的表麵結構。它由（yóu）三大部分（fèn）組成: 真空（kōng）係統，電子束係統以及成像（xiàng）係統（tǒng）。本文（wén）主要利（lì）用其進行（háng）兩方麵試驗，一是對刀片表（biǎo）麵形貌（mào）進行觀測，二是對刀具表麵進行能譜分析通過成分殘留來分析刀具的磨損機理。手持式粗糙度儀（yí）: 用於測量多種機加工零（líng）件的表（biǎo）麵粗糙度，根據選定的測量條件計算（suàn）相應的參數，在液晶顯示器上清晰地（dì）顯示全部測（cè）量結果及圖形。試驗工件為近 α 類鈦（tài）合（hé）金 TA10，為 Φ290 mm × 2700 mm的鈦棒。

2 、試驗方案

本（běn）實（shí）驗對 TA10 棒料進行鑽（zuàn）削，鑽削采用 54 mm 直（zhí）徑的深孔鑽鑽通孔，通過改變鑽頭前角、後角進（jìn）行鑽削（xuē），采用單因素變量法收集數據，觀察加工過程中出現的振動（dòng）情況，利（lì）用粗糙度儀測量工件的（de）內孔壁粗糙度，並且通過電子（zǐ）顯微（wēi）鏡觀察刀具的磨損狀況來取得最佳的工（gōng）藝參數，通過研究（jiū）鑽頭的磨損、殘留成分情況分析刀具磨損原因得到 TA10 材料進行深孔鑽削時的磨損機（jī）理。具體加工參（cān）數:

(1)加工係統: 基於 CW6163D 深孔（kǒng）加工（gōng）機（jī）床的 BTA 深孔（kǒng）加工係統;

(2) 加工刀具: φ54 五齒型錯齒深孔鑽鑽頭，刀片（piàn）材料YG8 硬質合金;

(3) 刀具（jù）角度: 前角 3°、7°，後角 8°、12°，餘偏角 18°，鑽尖偏心量 4 mm;

(4) 工件材（cái）料（liào）: Φ290 mm × 2700 mm 的 TA10 鈦棒;

(5) 切削液: 乳化液;

(6) 運動方式: 刀具進給，工件旋轉;

(7) 切削參（cān）數: 鑽孔深度 2700 mm，孔直徑 φ55 mm，刀具轉速 145 r/min，進給量 0．12 mm/r。

表2 試驗刀具角度

3 、實（shí）驗結果

實驗得到的實驗數據見表3。

圖3 前（qián）刀麵磨（mó）損現象

綜合（hé）考慮相關加工情況，可以得知，由於材料的（de）塑（sù）性變形能力差，刀具前角取小值 3°時，相比於前角取 7°切屑與前（qián）刀麵接觸長（zhǎng）度增加，前刀麵的磨損相（xiàng）對（duì）來講有所增加，刀具耐用度有所下降; 但由於前刀麵所受應（yīng）力集中現象（xiàng）有所減（jiǎn）緩（huǎn），刀（dāo）具的切削溫度和受力強度降（jiàng）低。同（tóng）時對（duì）比發現，由於鈦合金材料在深孔鑽削時由於變形係數小，彈性模量小，在加工過（guò）程中（zhōng）材料（liào）回彈現象嚴重（chóng），導致刀具後刀麵取小角度時與工件摩擦嚴重（chóng）造成切削熱急劇上升，引（yǐn）發係統異響和振動，刀具的磨損現（xiàn）象比較嚴（yán）重，甚至出現打（dǎ）刀、崩刃等現象，因此刀具後角需要增大，選取 12°為佳。另外通（tōng）過對比發現（xiàn），在切削鈦合金時，刀具後（hòu）角的作用相（xiàng）對於前角來講影響比（bǐ）較顯著，因此增大後角可以在保證（zhèng）刀具強度（dù）的前提下更有效的提高刀具耐用度。因此選用前角 3°，後角 12° 加工狀態良好。其道具磨（mó）損電鏡顯微結果見圖 3 ～圖 4。可見在對 TA10 材料進行深孔（kǒng）鑽削時（shí），由於材（cái）料的回彈現象，刀具的（de）後刀麵磨損程度（dù）遠遠比前刀麵嚴重，利用掃（sǎo）麵電子顯微鏡對後刀麵（miàn）的深色和淺色分區進行（háng）取點能譜分析。

圖5 深色區能譜圖

圖6 淺色區（qū）能譜圖

可以發現在貼近刀刃的深色區（qū）域富集了（le）大量（liàng）的 Ti 元素，而在距（jù）離刀刃較遠的淺色區域，為以 W、Co 等刀具材料為主，Ti 元（yuán）素隻有極少量（liàng），說明（míng）在（zài）加工過程中工件材（cái）料在高溫高壓下出現（xiàn）了明顯的粘結現象，綜合研究（jiū）發現，在對 TA10進行深孔加工時由於切削力和（hé）切削溫度比較（jiào）高，工（gōng）件材料的硬度不大，親和性強，因（yīn）此硬質合金刀具的磨損主要以粘結磨損為主。

本次（cì）試（shì）驗利用 TＲ200 手持式粗糙度儀對加工孔的粗糙度進行測量分析，由於孔深較大（dà），因此采用工件末端出鑽口粗糙度（dù）采樣（yàng）進行對比（bǐ）分析。

圖7 不同刀（dāo）具角度下（xià）的內孔表麵粗糙度

由圖 7 能夠發現，在保證刀具強（qiáng）度（dù）的前提下，當刀具的前（qián）角和後角越大時，刀具越鋒利，能夠穿過材料的加工硬化層進行切削，從而加（jiā）工孔的表麵質量比較高。針對 TA10 鈦合金的硬度相對較低的特（tè）點，在加工時選用大的（de）刀具角度有利（lì）於切削的順利進行。並且可以看出 C 型角度（dù）的（de）深孔鑽頭加工質量也（yě）相對較好。

4、結論

本文通過對（duì） TA10 鈦合金的物（wù）理性能和切削加工性研究分析，並與純（chún）鈦（tài） TA2 和 45 號鋼進行對比，結合深孔加工的特（tè）點對 TA10 材料進行深孔鑽削試驗。針對 TA10 材料的切削加工特點，選用了Φ290 mm × 2700 mm 的（de）鈦棒（bàng）進行深孔加工試驗，通過不同角度鑽頭的試驗對比，得出了以下幾點結論:

(1) TA10 具有優越的塑性和相對較（jiào）好的高（gāo）低溫強度（dù），並（bìng）且（qiě）比強度高，耐腐蝕性強。其切削加工性和純鈦類似。在對其進行加工時也有很多不利因素，加工硬化嚴重、刀具磨損快等降低（dī）了（le）其的應用性。在切削時，由於工件材料的彈（dàn）性模量低（dī），變形係數（shù）小的特點，已（yǐ）加工麵回彈（dàn）現象嚴重，對刀具後刀麵產生劇烈磨（mó）損; 同時（shí）切屑與前刀麵接觸時間短，導（dǎo）致前刀麵單位麵積切削力大、切削溫度（dù）高; 另外鈦元素的化學活性大，容易（yì）產生加工硬化層，同時與刀具產生粘附（fù）現（xiàn）象。這一係列的加工（gōng）特點加速了刀具的磨損，尤其在深（shēn）孔加工時，加工環境更加惡劣，加工效率和效果均不理想。

(2) 在對（duì） TA10 材（cái）料進行深孔加工時，根據加工材料的尺寸和特點，選用（yòng）五齒型錯齒內排屑深孔（kǒng）鑽進行加工，刀片（piàn）材料選用 YG8 硬質（zhì）合金比較合理（lǐ），其（qí）具有較高的強度和硬度，並且不容易與（yǔ）工件發生親和(3) 根（gēn）據鑽削過程中的（de）振動以及刀具的磨損情（qíng）況（kuàng），在對Φ290 mm × 2700 mm 的 TA10 鈦棒（bàng）時，刀（dāo）具角度取前角 3°，後角 12°時刀具耐用度較好，加（jiā）工效果較好。(4) 加工（gōng） TA10 材料時，刀具後刀麵的（de）磨損相對（duì）於前刀（dāo）麵嚴重，後刀麵的磨損情況決定了刀具的耐（nài）用度，因此（cǐ）刀具後角比其他角度影響明（míng）顯。刀具的磨損（sǔn）形（xíng）式以粘接磨損為主。

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