钛合金钻削和攻丝的工艺分析及研究
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表 4 钻头直径 D 与倒锥度的关系
钻头直径 D/ mm 2 ～ 6
6 ～ 18
18 ～ 50
倒锥度(mm/ mm 长)0.03 ～ 0.05 0 .04～ 0 .08 0.05 ～ 0.12
经过分析试验 , 按照上述几何参数加工的钻头钻 削加工钛合金时效果良好 , 效率可提高 40 %左右 。 2 .3 钻削用量
1 钛合金性能特点和加工特性分析
1 .1 钛合金性能特点 钛合金即在工业纯钛中加入合金元素 , 以提高钛
的强度 。 钛合金可分为三种 :α钛合金 , β 钛合金和 α +β 钛合金 。 α+β 钛合金 , 如 T C4(T i-6Al-4V), 此种 钛合金由 α和 β 双相组成 , 这类合金组织稳定 , 高温变 形性能 、韧性 、塑性较好 , 能进行淬火和时效处理使合 金强化 , 是航空业重要的原材料 。 钛合金的性能特点 ,
收稿日期 :2003-07-22
34
电 子 机 械 工 程 第 20 卷
速刀具磨损 。此外 , 钛合金化学活性高 , 在高温高压下 加工 , 与刀具材料起反应 , 形成溶敷 , 扩散而成合金 , 造 成粘刀具 , 切屑不易排除 , 往往产生钻头被咬住 、扭断 钻头等现象 。
a)钻头螺旋角 β 直接影响主切削刃前角的增加 和减小 。 β 角 增加 , 前角 也增加 , 切削 轻快 , 易 于排 屑 , 扭矩和轴向力也小 。 见图 3 。
tg β = πD/ P
式中 , D 为钻头直径 ;P 为螺旋槽导程 。
பைடு நூலகம்
图 4 钻头外缘处后角
t g ψ= f /πD 式中 , f 为钻头走刀量 ;D 为钻头在该点的直径 。
18 ～ 50
外缘处后角 αf 17°～ 20° 15°～ 18° 12°～ 15°
增大钻头外缘处后角 , 可以使横刃锋利 , 改善切削 性能 。特别是对钻心处的钻削加工有明显改善 。 2 .2 .5 钻头加工成倒锥 K
钻头加工成倒锥 , 减小棱带同孔壁摩擦 , 使钻头切 削时扭矩减小 .倒锥角度见表 4 。
2 钛合金的钻削加工
通过对钛合金加工特性的分析 , 了解了影响钛合 金钻削加工的因素 , 即在加工过程中及易出现烧刀 、断 钻 、刀具磨损快等问题 。 因此 , 着重对钻头材料 、钻头 几何参数 、钻削用量以及冷却液等进行了研究 , 并较好 地解决了这一问题 。 2 .1 钻头材料
钻头材料应满足以下要求 : a)足够的硬度 。钻头和丝锥的硬度必须大于钛合 金的硬度 。 b)足够的强度和韧性 。由于钻头和丝锥在加工钛 合金时承受很大的扭转力和切削力 。因此 , 必须有足 够的强度和韧性 。 c)足够的耐磨性 。 由于钛合金韧性好 , 加工时切 削刃要锋利 , 因此刀具材料必须有足够的抵抗磨损能 力 , 这样才能减少加工硬化 。 d)刀具材料与钛合金亲合能力要差 。由于钛合金 化学活性高 , 因此要求刀具材料和钛合金亲合能力要 差 , 以免形成溶敷 , 扩散而成合金 , 造成粘刀 、断钻等现 象。 综上所述 , 经过对常用的刃具材料 W18Cr4V 、硬 质 合 金 (YG8)、W6Mo5Cr4V3Al 、W12Cr4V4M o 和 W2Mo9Cr4VCo8 等制造的钻头和丝锥进行试验分析 , 结果表明由材料 W2M o9Cr4VCo8 制造的钻头和丝锥 加工钛合金时刃口锋利 、磨损 小 , 效率有 了显著的提 高 , 是比较理想的刃具材料 。 W2M o9Cr4VCo8(M42)属于高速钢的一种 , 用该 材料制造的钻头和丝锥之所以适合加工钛合金 , 与该 材料的化学成分有关(材料化学成分见表 1)。 该材料 含有 7 .5 %～ 8 .5 %的金属元素钴 。钴的主要作用是 能加强二次硬化的效果 , 提高红硬性和热处理后的硬 度 , 同时 , 具有良好的散热性 。 因此 , 含钴高速钢具有 高的切削加工性能 。
Analysis and Research on the Technique of Ti-alloy Drilling and Tapping
CHAI Kun-shan , FU Sheng-lin (Nort heast Research Inst itute of Electronics Technology , J inzhou 121000 , China)
当钻头直径和进给量一定时 , 增大顶角 2 Χ, 则切削宽 度变窄 , 单位切削刃上的负荷减轻 。同时 , 钻头外圆处 的刀尖角减小 , 减小了刀尖角的磨损速度 , 同时有利于 散热 , 耐用度也得到提高(见图 2)。
图 2 钻削的切削厚度与切 屑宽度
b)顶角对前角有很大影响 。 当顶角等于 90°时 , 主截面为轴向截面 , 其前 角就是某点所处的 螺旋角 。 因此 , 增大顶角 2 Χ有利于改善钻心处的切削条件 。
图 5 钻头工作时的角 度
由上式看出 , 走刀量增加 , 切削刃上的点愈接近中 心 , ψ角愈大 , 钻头实际后角愈小 。这就要求有不等的 后角 ψ, 由此向钻心逐渐增加 。为了适合钛合金加工 , 总结出的后角 αf 见表 3 。
表 3 钻头直径与外缘处后角 αf 的关系
钻头直径/ mm
2～ 6
6～ 18
通过分析试验 , 增大后钻头的螺旋角 β 见表 2 。
表 2 不同规格钻头的螺 旋角
钻头直径/ mm
2 ～6
6 ～ 18
18 ～ 50
螺旋角 β
43°～ 45° 40°～ 42° 35°～ 40°
2 .2 .3 增大钻心厚度 由于在钻削加工钛合金时钻头承受很大扭矩和径
向抗力 , 特别是小直径钻头 , 容易折断 , 因此增大钻心 厚度 , 以提高钻头强度 。 钻心厚度一般为 :
图 3 钻刃上各点的 β 角
b)由上式看出 , 切削刃上各点 β 角是变化的 。 靠 近外圆处 β 角最大 , 前角也最大 , 切削刃锋利 , 切削性 能好 。 而靠近钻心处 β 角最小 , 切削性能较差 , 将通 过此处磨成圆弧状 , 以改善切削条件 。
随 β 角增加 , 切削刃强度减弱 , 磨损快 , 甚至会发 生切削刃烧毁等现象 。 因此合理选择 β 角 , 以适合钛 合金钻削加工 。
c)钻头螺旋角 β 小 。 螺旋角直接影响主切削刃的 前角 。螺旋角大 , 则刃口锋利 , 切削轻快 , 否则会造成 加工硬化 。
d)钻头外缘处后角 αf 小 , 影响钻心处切削刃的前 角。
钻头的各基本参数见图 1 。
图 1 钻头的各基本参 数
2 .2 .1 增大钻头顶角 2 Χ a)钻 头顶角决 定切屑 宽度和钻 头前角的 大小 。
36
电 子 机 械 工 程 第 20 卷
钛合金的性能特点要求钻削加工钛合金时转速要
低 , 进给量要适中 。 表 5 是钻削加工钛合金的钻削用 量。
主要表现在 : a)比强度高 。 钛合金密度 小(4 .4 kg/ m3), 重量
轻 , 其比强度却大于超高强度钢 。 b)热强性高 。 钛合金热稳定性好 , 在 300 ℃～ 500
℃条件下 , 其强度约比铝合金高 10 倍 。 c)化学活性大 。 钛的化学活性大 , 与空气中的 O 、
N 、CO 、水蒸气等产生强烈的化学反应 , 在钛合金表面 易形成 T iC 及 T iN 硬化层 。
表 1 W2Mo9Cr4VCo8 的化学成分(YB12 -77)(%)
C
Si
M n Cr M o W V Co
1.05 ～ ≤0 .40 ≤0 .40 3.80 ～ 9 .0 ～ 1 .0 ～ 0 .80 ～ 7 .50～
1 .15
4 .40 10.0 2.0 1.50 8.5
2 .2 改变钻头几何参数 钛合金的加工特性决定标准麻花钻头钻削加工钛
K =(0 .45 ～ 0 .32)D
式中 , D 为钻头直径 。 2 .2 .4 增大钻头外缘处后角
钻头切削刃各点上的后角是不等的 , 愈接近中心 , 其后角愈大 , 因此 , 钻头后角的标注和要求 , 都以钻头 外缘处为准 , 见图 4(计算略)。
由于切削表面为螺旋面 , 切削刃上任一点的切削 速度的方向为螺旋线 , 由展开图 5 可以看出 , 实际后角 减小了一个 ψ角 。 其大小由下式计算 :
合金时存在许多问题 , 主要表现 : a)钻头顶角 2 Χ小 , 切削刃长 , 切下的切屑宽 , 因
而钻头扭矩大 , 轴向抗力也大 。同时 , 切屑卷曲成螺旋 状程度大 , 切屑所占的空间也大 , 排屑不顺畅 , 影响冷 却。
b)钻头钻心厚度 K 小 。 由于钻削加工钛合金时 钻头承受很大扭矩和轴向抗力 。 钻心厚度小 , 则钻头 强度低 , 钻头易折断 。
Abstract :Mainly preseating the f unction characteristies of T i-alloy , and the main factors that af fect Ti-alloy drilling and tapping processing are analy zed .T he technique parameters and relevant measures for im proving the T i-alloy drilling and tapping processing are suggested . Key words:Ti-alloy ;Ti-alloy drilling ;Ti-alloy t apping
0 引 言
钛合 金材料重 量轻 , 密度是 4 .4 kg/ m3 , 比 强度 高 , 是航空航天等领域的重要金属材料 。 但其加工性 能较差 , 特别是钻孔和攻丝的效率很低 , 在很大程度上 制约着产品中钛合金零件的加工质量和生产效率 。这 里分析了钛合金材料及其切削特性在钻孔和攻丝中表 现出来的具体特点 , 特别对刀具材料 、刀具结构和刀具 几何参数等进行了反复研究和试验 , 并采取了相应措 施 , 较好地解决了钛合金钻削和攻丝加工过程中存在 的难题 。
2004 年第 20 卷第 2 期 2004.Vol .20 No .2
电子机械工程
Electro-Mechanical Engineering
33
钛合金钻削和攻丝的工艺分析及研究
蔡昆山 , 付圣林 (东北电子技术研究所 , 辽宁 锦州 121000)
摘 要 :主要叙述了钛合金的性能特点 , 同时分析了影响钛合金钻削和攻丝加工的主要因素 , 并提出改 进钛合金钻削和攻丝加工的工艺参数和相应措施 。 关键词 :钛合金 ;钛合金钻削 ;钛合金攻丝 中图分类号 :TG146 .23 ;TG52 文献标识码 :A 文章编号 :1008 -5300(2004)02 -0033 -04
c)顶角影响切屑流出的方向 。顶角大 , 切屑卷曲 成螺旋的程度减小 , 且比较平直 , 容易排除 , 即提高了 排屑性能 。
第 2 期 蔡昆山 , 等 :钛合金钻削和攻丝的工艺分析及研究
35
通过分析试验 , 在加工钛合金时 , 采取增大钻头顶 角 2 Χ, 2 Χ范围是 135°～ 140°, 结果表明钻削效果良 好。 2 .2 .2 选择合适的钻头螺旋角 β
d)导热 性 差 。钛 合 金导 热性 差 , 钛 合金 T C 4在 20 ℃时 的 热 导 率λ=16 .8W / m · ℃ , 导 热 系 数 是 0 .036 cal/(cm·s·℃)。 1 .2 钛合金加工特性分析
由于 钛 合 金导 热 系 数低 , 仅是 钢 的 1/ 4 、铝 的 1/ 13 、铜的 1/25 , 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 。 同时 , 由于钛合金变形 系数小于或接近于 1 , 这是钛合金加工时的一个显著 特点 。因此 , 切屑在前刀面上滑动摩擦的路程加大 , 加
钻头直径 D/ mm 2 ～ 6
6 ～ 18
18 ～ 50
倒锥度(mm/ mm 长)0.03 ～ 0.05 0 .04～ 0 .08 0.05 ～ 0.12
经过分析试验 , 按照上述几何参数加工的钻头钻 削加工钛合金时效果良好 , 效率可提高 40 %左右 。 2 .3 钻削用量
1 钛合金性能特点和加工特性分析
1 .1 钛合金性能特点 钛合金即在工业纯钛中加入合金元素 , 以提高钛
的强度 。 钛合金可分为三种 :α钛合金 , β 钛合金和 α +β 钛合金 。 α+β 钛合金 , 如 T C4(T i-6Al-4V), 此种 钛合金由 α和 β 双相组成 , 这类合金组织稳定 , 高温变 形性能 、韧性 、塑性较好 , 能进行淬火和时效处理使合 金强化 , 是航空业重要的原材料 。 钛合金的性能特点 ,
收稿日期 :2003-07-22
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电 子 机 械 工 程 第 20 卷
速刀具磨损 。此外 , 钛合金化学活性高 , 在高温高压下 加工 , 与刀具材料起反应 , 形成溶敷 , 扩散而成合金 , 造 成粘刀具 , 切屑不易排除 , 往往产生钻头被咬住 、扭断 钻头等现象 。
a)钻头螺旋角 β 直接影响主切削刃前角的增加 和减小 。 β 角 增加 , 前角 也增加 , 切削 轻快 , 易 于排 屑 , 扭矩和轴向力也小 。 见图 3 。
tg β = πD/ P
式中 , D 为钻头直径 ;P 为螺旋槽导程 。
பைடு நூலகம்
图 4 钻头外缘处后角
t g ψ= f /πD 式中 , f 为钻头走刀量 ;D 为钻头在该点的直径 。
18 ～ 50
外缘处后角 αf 17°～ 20° 15°～ 18° 12°～ 15°
增大钻头外缘处后角 , 可以使横刃锋利 , 改善切削 性能 。特别是对钻心处的钻削加工有明显改善 。 2 .2 .5 钻头加工成倒锥 K
钻头加工成倒锥 , 减小棱带同孔壁摩擦 , 使钻头切 削时扭矩减小 .倒锥角度见表 4 。
2 钛合金的钻削加工
通过对钛合金加工特性的分析 , 了解了影响钛合 金钻削加工的因素 , 即在加工过程中及易出现烧刀 、断 钻 、刀具磨损快等问题 。 因此 , 着重对钻头材料 、钻头 几何参数 、钻削用量以及冷却液等进行了研究 , 并较好 地解决了这一问题 。 2 .1 钻头材料
钻头材料应满足以下要求 : a)足够的硬度 。钻头和丝锥的硬度必须大于钛合 金的硬度 。 b)足够的强度和韧性 。由于钻头和丝锥在加工钛 合金时承受很大的扭转力和切削力 。因此 , 必须有足 够的强度和韧性 。 c)足够的耐磨性 。 由于钛合金韧性好 , 加工时切 削刃要锋利 , 因此刀具材料必须有足够的抵抗磨损能 力 , 这样才能减少加工硬化 。 d)刀具材料与钛合金亲合能力要差 。由于钛合金 化学活性高 , 因此要求刀具材料和钛合金亲合能力要 差 , 以免形成溶敷 , 扩散而成合金 , 造成粘刀 、断钻等现 象。 综上所述 , 经过对常用的刃具材料 W18Cr4V 、硬 质 合 金 (YG8)、W6Mo5Cr4V3Al 、W12Cr4V4M o 和 W2Mo9Cr4VCo8 等制造的钻头和丝锥进行试验分析 , 结果表明由材料 W2M o9Cr4VCo8 制造的钻头和丝锥 加工钛合金时刃口锋利 、磨损 小 , 效率有 了显著的提 高 , 是比较理想的刃具材料 。 W2M o9Cr4VCo8(M42)属于高速钢的一种 , 用该 材料制造的钻头和丝锥之所以适合加工钛合金 , 与该 材料的化学成分有关(材料化学成分见表 1)。 该材料 含有 7 .5 %～ 8 .5 %的金属元素钴 。钴的主要作用是 能加强二次硬化的效果 , 提高红硬性和热处理后的硬 度 , 同时 , 具有良好的散热性 。 因此 , 含钴高速钢具有 高的切削加工性能 。
Analysis and Research on the Technique of Ti-alloy Drilling and Tapping
CHAI Kun-shan , FU Sheng-lin (Nort heast Research Inst itute of Electronics Technology , J inzhou 121000 , China)
当钻头直径和进给量一定时 , 增大顶角 2 Χ, 则切削宽 度变窄 , 单位切削刃上的负荷减轻 。同时 , 钻头外圆处 的刀尖角减小 , 减小了刀尖角的磨损速度 , 同时有利于 散热 , 耐用度也得到提高(见图 2)。
图 2 钻削的切削厚度与切 屑宽度
b)顶角对前角有很大影响 。 当顶角等于 90°时 , 主截面为轴向截面 , 其前 角就是某点所处的 螺旋角 。 因此 , 增大顶角 2 Χ有利于改善钻心处的切削条件 。
图 5 钻头工作时的角 度
由上式看出 , 走刀量增加 , 切削刃上的点愈接近中 心 , ψ角愈大 , 钻头实际后角愈小 。这就要求有不等的 后角 ψ, 由此向钻心逐渐增加 。为了适合钛合金加工 , 总结出的后角 αf 见表 3 。
表 3 钻头直径与外缘处后角 αf 的关系
钻头直径/ mm
2～ 6
6～ 18
通过分析试验 , 增大后钻头的螺旋角 β 见表 2 。
表 2 不同规格钻头的螺 旋角
钻头直径/ mm
2 ～6
6 ～ 18
18 ～ 50
螺旋角 β
43°～ 45° 40°～ 42° 35°～ 40°
2 .2 .3 增大钻心厚度 由于在钻削加工钛合金时钻头承受很大扭矩和径
向抗力 , 特别是小直径钻头 , 容易折断 , 因此增大钻心 厚度 , 以提高钻头强度 。 钻心厚度一般为 :
图 3 钻刃上各点的 β 角
b)由上式看出 , 切削刃上各点 β 角是变化的 。 靠 近外圆处 β 角最大 , 前角也最大 , 切削刃锋利 , 切削性 能好 。 而靠近钻心处 β 角最小 , 切削性能较差 , 将通 过此处磨成圆弧状 , 以改善切削条件 。
随 β 角增加 , 切削刃强度减弱 , 磨损快 , 甚至会发 生切削刃烧毁等现象 。 因此合理选择 β 角 , 以适合钛 合金钻削加工 。
c)钻头螺旋角 β 小 。 螺旋角直接影响主切削刃的 前角 。螺旋角大 , 则刃口锋利 , 切削轻快 , 否则会造成 加工硬化 。
d)钻头外缘处后角 αf 小 , 影响钻心处切削刃的前 角。
钻头的各基本参数见图 1 。
图 1 钻头的各基本参 数
2 .2 .1 增大钻头顶角 2 Χ a)钻 头顶角决 定切屑 宽度和钻 头前角的 大小 。
36
电 子 机 械 工 程 第 20 卷
钛合金的性能特点要求钻削加工钛合金时转速要
低 , 进给量要适中 。 表 5 是钻削加工钛合金的钻削用 量。
主要表现在 : a)比强度高 。 钛合金密度 小(4 .4 kg/ m3), 重量
轻 , 其比强度却大于超高强度钢 。 b)热强性高 。 钛合金热稳定性好 , 在 300 ℃～ 500
℃条件下 , 其强度约比铝合金高 10 倍 。 c)化学活性大 。 钛的化学活性大 , 与空气中的 O 、
N 、CO 、水蒸气等产生强烈的化学反应 , 在钛合金表面 易形成 T iC 及 T iN 硬化层 。
表 1 W2Mo9Cr4VCo8 的化学成分(YB12 -77)(%)
C
Si
M n Cr M o W V Co
1.05 ～ ≤0 .40 ≤0 .40 3.80 ～ 9 .0 ～ 1 .0 ～ 0 .80 ～ 7 .50～
1 .15
4 .40 10.0 2.0 1.50 8.5
2 .2 改变钻头几何参数 钛合金的加工特性决定标准麻花钻头钻削加工钛
K =(0 .45 ～ 0 .32)D
式中 , D 为钻头直径 。 2 .2 .4 增大钻头外缘处后角
钻头切削刃各点上的后角是不等的 , 愈接近中心 , 其后角愈大 , 因此 , 钻头后角的标注和要求 , 都以钻头 外缘处为准 , 见图 4(计算略)。
由于切削表面为螺旋面 , 切削刃上任一点的切削 速度的方向为螺旋线 , 由展开图 5 可以看出 , 实际后角 减小了一个 ψ角 。 其大小由下式计算 :
合金时存在许多问题 , 主要表现 : a)钻头顶角 2 Χ小 , 切削刃长 , 切下的切屑宽 , 因
而钻头扭矩大 , 轴向抗力也大 。同时 , 切屑卷曲成螺旋 状程度大 , 切屑所占的空间也大 , 排屑不顺畅 , 影响冷 却。
b)钻头钻心厚度 K 小 。 由于钻削加工钛合金时 钻头承受很大扭矩和轴向抗力 。 钻心厚度小 , 则钻头 强度低 , 钻头易折断 。
Abstract :Mainly preseating the f unction characteristies of T i-alloy , and the main factors that af fect Ti-alloy drilling and tapping processing are analy zed .T he technique parameters and relevant measures for im proving the T i-alloy drilling and tapping processing are suggested . Key words:Ti-alloy ;Ti-alloy drilling ;Ti-alloy t apping
0 引 言
钛合 金材料重 量轻 , 密度是 4 .4 kg/ m3 , 比 强度 高 , 是航空航天等领域的重要金属材料 。 但其加工性 能较差 , 特别是钻孔和攻丝的效率很低 , 在很大程度上 制约着产品中钛合金零件的加工质量和生产效率 。这 里分析了钛合金材料及其切削特性在钻孔和攻丝中表 现出来的具体特点 , 特别对刀具材料 、刀具结构和刀具 几何参数等进行了反复研究和试验 , 并采取了相应措 施 , 较好地解决了钛合金钻削和攻丝加工过程中存在 的难题 。
2004 年第 20 卷第 2 期 2004.Vol .20 No .2
电子机械工程
Electro-Mechanical Engineering
33
钛合金钻削和攻丝的工艺分析及研究
蔡昆山 , 付圣林 (东北电子技术研究所 , 辽宁 锦州 121000)
摘 要 :主要叙述了钛合金的性能特点 , 同时分析了影响钛合金钻削和攻丝加工的主要因素 , 并提出改 进钛合金钻削和攻丝加工的工艺参数和相应措施 。 关键词 :钛合金 ;钛合金钻削 ;钛合金攻丝 中图分类号 :TG146 .23 ;TG52 文献标识码 :A 文章编号 :1008 -5300(2004)02 -0033 -04
c)顶角影响切屑流出的方向 。顶角大 , 切屑卷曲 成螺旋的程度减小 , 且比较平直 , 容易排除 , 即提高了 排屑性能 。
第 2 期 蔡昆山 , 等 :钛合金钻削和攻丝的工艺分析及研究
35
通过分析试验 , 在加工钛合金时 , 采取增大钻头顶 角 2 Χ, 2 Χ范围是 135°～ 140°, 结果表明钻削效果良 好。 2 .2 .2 选择合适的钻头螺旋角 β
d)导热 性 差 。钛 合 金导 热性 差 , 钛 合金 T C 4在 20 ℃时 的 热 导 率λ=16 .8W / m · ℃ , 导 热 系 数 是 0 .036 cal/(cm·s·℃)。 1 .2 钛合金加工特性分析
由于 钛 合 金导 热 系 数低 , 仅是 钢 的 1/ 4 、铝 的 1/ 13 、铜的 1/25 , 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 。 同时 , 由于钛合金变形 系数小于或接近于 1 , 这是钛合金加工时的一个显著 特点 。因此 , 切屑在前刀面上滑动摩擦的路程加大 , 加