钛合金零件钳工钻孔、攻丝工艺研究

刘天鹏+赵娜

【摘 要】 钛合金已成为机械工业最重要的工程材料之一.获得了越来越广泛的应用。由于其材料强度高。化学活性大，弹性模量较低等原因，造成钛合金切削性能比较差，是一种典型的难加工材料。结合钛合金零件加工领域的技术资料和经验对钛合金壳体零件加工中的钳工工艺方法进行了总结和研究。

【关键词】 钛合金  壳体零件  钻孔  攻丝

钛合金的突出优点是重量轻、强度高、耐热性较好和抗腐蚀性极好;但同时它又是难加工材料，该材料的摩擦系数大、导热性差、热量不易散失，加工时容易使零件表面产生烧伤现象，特别是在钳工钻孔、攻丝时由于零件的加工方式所限，加工难度更大。该文以壳体为例来说明钛合金零件钻孔、攻丝的问题。

1 钛合金壳体零件的分析

壳体零件是某零组件中的一个重要结构件。该零件是零组件安装、定位基准，同时它又是主要受力件。零件存在较多钻孔加工和攻丝要求，加工精度高，材料为钛合金。

2 钛合金的物理性能特点

钛合金具有比重小，比强度与热强度高，热稳定性和抗腐蚀性好等优点，可以显著地减轻产品重量，提高推重比和结构的抗热能力和可靠性.所以在航空、航天、石油、化工、造船等部门得到广泛应用。钛合金性能特点主要表现在：

（1）导热、导温系数小，切削温度高。钛合金的导热系数平均是工业纯钛的一半，导温系数分别为铁和铝的l，4和1/16，因此在相同的切削条件下，钛合金的切削温度比45钢高l倍以上。（2）切削变形系数小，单位面积上的切削力大。钛合金的切削变形系数小于1或接近l，钛合金切屑被主切削刃切离后，立即向上翻卷，使切屑与刀具前刀面接触减少，刀具单位面积上所承受的压力要比—般钢材大得多。（3）化学活性大。钛合金在300忙以上高温下极易与刀具材料“亲和”，产生严重的粘刀现象。

3 壳体零件钻孔、攻丝的工艺分析

钛合金难加工的原因在于钛合金本身的力学、化学、物理性能间的综合作用。由于钛合金导热系数低，因而散热慢，不利于热平衡，特别是在钻削加工过程中，散热和冷却效果很差，在切削区形成高温，加工后回弹大，故当钻头刀尖接触工件时，刀尖与工件接触面积增大，使刀尖受轴向力增大，刀尖易造成磨损及破损。钻头进入工件后由于钛合金的径向弹性收紧及导热性能差，使钻头受较大径向及轴向力，普通钻头易出现加工困难、磨损加剧的现象。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。

在钛合金材料上进行内螺纹攻丝.是钛合金切削加工中最困难的工序，尤其对于小孔螺纹的加工更加困难.而且离不开丝锥攻制。其主要原因是由于钛合金导热系数低，在攻丝加工过程中，切削温度高、切屑有粘刀现象不易排除、切削液不易到达切削区等;加工表面容易产生应力集中.并形成硬脆层，被加工螺纹表面质质量较差。另外，钛合金加工后回弹大，孔壁挤压丝锥，甚至将牙型面包住，丝锥不能转动，丝锥容易折断。

4 零件钻孔、攻丝的加工方案

钻孔时选取专用钛合金加工的高速钢钻头，通过增厚钻芯和尽量减小其长度的方法提高刚性。加工时钻头钻入1—1.5mm后即退刀，再钻后再退刀，以改善散热、润滑条件及减小弹性力。不允许钻头不进给而在孔中打转，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的表现之一，故钻孔可使用比标准直径大0.1mm左右的钻头。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。加工中证实：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）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，如有必要钻后可铰孔，以满足公差要求。钛合金材料钻孔时需使用比底孔直径大0.1mm左右的钻头，以抵消回弹量。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）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。

5 结语

经过自己在实际生产中的研究，总结出了钛合金类零件钻孔和攻丝的加工方法。和比较合理的工艺参数，用我们总结出的工艺方法来指导生产是可行的。该工艺方法在以后的零件上也可以得到了广泛的应用。

参考文献：

[1]韩荣第.现代机械加工新技术[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]黄德彬.有色金属材料手册[M].北京：化学工业出版社，2005.

[3]左敦稳.现代加工技术[M]北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[4]王世清.孔加工技术[M].北京：石油工业出版社，1993.

[5]陈大先.机械设计手册（第四版）[M].北京：化学工业出版社，2002.endprint