薄壁圆管常用加工刀具

2021-03-23 16:06

薄壁圆管常用加工刀具

钛合金具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀和抗冲击振动等良好的综合性能，广泛应用于化工机械、船舶工业和航空航天等领域，其中钛合金薄壁结构的应用较为普遍。钛合金薄壁部件主要靠大量孔联接，孔加工精度要求高。一方面钛合金属于难加工材料，切削时产生大量不易扩散的切削热，加剧刀具的磨损；另一方面薄壁件刚度低，受钻削力等作用，试件极易发生振动和变形，严重时会发生共振现象。钻削过程试件的动力学特性变化会影响孔的加工精度，进而影响钛合金薄壁部件间联接的可靠性和疲劳寿命等，因此研究钛合金薄壁件的钻孔过程动力学特性变化十分重要。

钻孔时模态振型变化：由于钻孔直径较小，内孔结构的变化使试件去除材料质量也相对较小。在钻孔的整个过程试件的各阶固有频率均呈下降趋势，但不会产生明显变化，与低阶固有频率相比，高阶固有频率下降趋势略大。钻孔过程中，当钻头钻至特征位置圆管固有频率下降略明显，此时圆管被钻通，导致刚度下降对固有频率产生影响。

从模态振型变化表可以看出，钻孔时距离约束端越远，圆管越容易发生较大振动，且振动区域越密集；钻孔过程圆管对称结构虽然被打破，但是由于钻孔去除质量相对很小，上述相邻两阶模态振型近似相同，对圆管的各阶模态振型无明显影响；长度变化对模态振型有明显影响；外径越大，圆管整体刚度越低，所以试件在孔加工时容易出现振动现象；试件的模态振型在钻孔过程中不会因内孔结构的变化而发生明显改变；钻孔位置的变化对试件的各阶固有频率影响不大，固有频率随着钻孔过程有降低趋势。当钻孔位置越靠近约束端，圆管各阶固有频率减小幅度越大。由于距离约束端越近试件刚度越强。

（1）钻孔时圆管各阶的固有频率均会减小，但减小幅度不大，圆管的各阶模态振型也不会发生明显改变。由于钻孔直径较小试件去除质量相对较小，对圆管结构影响很小，导致在钻孔时圆管的动态特性不会发生明显改变。

（2）圆管的固有频率随着长度增加而减小，其中高阶固有频率减小趋势比低阶明显。长度L=20mm的圆管在钻孔时模态振型发生明显变化，其余长度方案模态振型在钻孔过程不会发生明显变化。

（3）圆管的固有频率随着外径的增加而减小，模态振型出现的局部振动区域随外径的增加而变密集，振幅极大，振动区域也越多，钻孔时容易发生振动。

（4）圆管的固有频率均随着壁厚的增加而增加，模态振型的振动区域越稀疏，抵抗振动和变形的能力就越强。

（5）钻孔位置越靠近约束端，圆管各阶固有频率减小幅度越大，钻孔过程孔周围的振幅越小；钻孔位置的变化对试件的高阶模态振型分布影响较大。

（6）孔径在D=6~16mm内变化时，钻孔过程各阶固有频率随孔径增加有小幅降低，钻孔时模态振型受钻孔直径变化影响较大，当d=16mm时该阶模态振型会发生明显变化。

薄壁圆管在钻孔加工时选取专用钛棒加工的合金钻头，通过增厚钻芯和尽量减小刃长来提高刀具刚性。通常使用高速钢钻头进行加工时钻头钻入1-1.5mm后需退刀后再钻再退刀，以改善散热、润滑条件及减小弹性力。钻头不应在不进给情况下在孔中打转，以免引起加工硬化。实际加工中测得孔径比钻头直径小0.1mm左右，这是钛合金材料特性，因此钻孔可使用上公差钻头；钻孔前需用中心钻点孔。攻丝加工时可以通过一下两点途径改善加工效果。

（1）改进丝锥结构形式提高丝锥刚性，减少同被加工材料的接触面积。方法是将锥芯增粗、减小切屑与前刀面的摩擦将丝锥前角选为8-10度、加工时加大丝锥后角、加宽容屑槽，减小刃辨宽度、使用跳牙丝锥等；另外螺旋槽可以增加丝锥锋利程度，减小切削力，避免丝锥折断，提高加工质量；有利于排屑，使钛屑可以沿螺旋槽排至工件外，避免丝锥卡死，改善加工条件;使冷却液能够较容易进入切削区，改善丝锥冷却及润滑性能等优点。经验证使用带螺旋槽的机攻丝锥在加工中心上攻M3以上的螺纹孔时可取得满意效果。

（2）薄壁圆管加工刀具对螺纹底孔设计提出公差要求需对螺纹底孔直径公差提出要求。在满足螺纹精度要求的前提下，螺纹底孔尽量加工到螺纹小径的上差，若公差要求较高可钻孔后进行铰孔加工，以满足较高的公差要求。

钛合金材料钻孔时需使用比底孔直径大0.1mm左右的钻头，上公差的钻头能够抵消回弹量；同时需使用锋利的钻头钻底孔，减小螺纹底孔的表面硬化层；在加工中心上攻螺纹孔时，需使用浮动攻丝夹套，以抵消主轴与进给的协调误差，并在攻丝前将底孔端部进行倒角，加强丝锥进入时的准确性。攻丝时可选取较慢转速，以保证切削平稳。

（3）薄壁圆管常用加工刀具攻丝和钻削加工时使用的冷却液相同，不推荐使用含氯冷却液；因为在切削过程中，切削液在高温下分解释放出氢气，被钛吸收后引起氢脆，同时，氯还可能引起钛合金高温应力腐蚀开裂。钻削浅孔时，可用电解切削液；钻削深孔时，用N32机械油加煤油，配比是3：l.5，也可用硫化切削液。钛合金加工的冷却液配制适合，可延长切削刀具的寿命;禁止使用低熔点金属及其合金（铅或锌基合金，铜、锡和镉基合金）制作的工、夹具或临时紧固件。与钛合金接触的工、夹具或其它装置必须清洁无污垢。加工后的钛合金表面不允许残留铅、锌、铜、锡和镉等低熔点金属。如有残留，应使用氢氟酸和硫酸亚铁溶液仔细清洗。装卸清洗过的钛合金工件时，必须防止油脂及指纹污染，以免发生盐应力腐蚀，使钛合金工件断裂。