Ti-6Al-4V钛合金大直径薄壁螺纹加工技术研究

李建军 庹 超 田黎明

(中国工程物理研究院材料研究所，四川 绵阳 621907)



Ti-6Al-4V钛合金大直径薄壁螺纹加工技术研究

李建军 庹 超 田黎明

(中国工程物理研究院材料研究所，四川 绵阳 621907)

针对Ti-6Al-4V钛合金大直径薄壁螺纹车削加工存在较大变形，而且中径值控制严格、表面质量要求高的情况，在加工刀具和进刀方式优选基础上，利用力学分析和模拟仿真手段完成了工装的优化设计；通过刀具磨损试验和切屑形状研究，确定了适宜的车削加工工艺参数组合；利用螺纹中径的检测结果对比分析，确定了较优的螺纹检测手段，加工出了合格的螺纹。

大直径螺纹；力学分析；加工试验；中径检测

Ti-6Al-4V钛合金薄壁管状零件如图1所示，零件的螺纹大径为M320，螺距为4 mm，壁厚仅为3 mm，径厚比达到102，而且型面的尺寸和轮廓精度要求较高，螺纹中径有尺寸控制要求。Ti-6Al-4V钛合金具有良好的塑性和较强的韧性，且导热性差，属于难加工材料，薄壁特点使其在加工过程中变形不易控制。该钛合金大直径螺纹加工技术尚不成熟，但其价格比较昂贵，需要对加工工艺进行优化研究，保证生产合格率。

对于该薄壁管状零件螺纹的车削加工，本文从力学分析和模拟仿真的角度出发完成工装的设计优化，结合刀具磨损试验和切屑形状研究，获得了合理的切削参数组合，并结合螺纹检测结果选择了合适的检测方法。

1 进刀方式选择

对于Ti-6Al-4V钛合金零件的车削加工，因工件材料具有良好的塑性，要求刀具有足够的强度和韧性，螺纹加工采用肯纳公司生产的螺纹车刀KC5025，特性如表1所示。

螺纹车削是一种成形车削，由于螺纹车刀与管状工件成楔形接触，当切削深度增大时，参与切削的切削刃长度大幅增加。主切削刃和副切削刃同时参与切削，工件材料的强塑性特征使得摩擦系数较大，因此该钛合金管状外螺纹加工的车削条件相对较为恶劣。外螺纹车削通常采用以下三种进刀方式[1-2](如图2)：

表1 螺纹车刀KC5025的特性

牌号基体涂层硬度韧性KC5025M类硬质合金,牌号为HC-M25PVD-TiAlN涂层中等中等

(1)径向进刀：进刀方式简单，会产生V型切屑，控制难度较大。

(2)侧向进刀：单侧刃加工，加工刀刃易磨损，使得螺纹牙型精度较差。

(3)交替进刀：沿螺纹牙型两侧面交替进刀，可提高刀具寿命，适用于大螺距螺纹切削，且需要在数控机床上进行特定程序设计。

在大直径螺纹加工的切削试验中，采用了径向进刀的方式。该方式在螺纹车削中最常用，其优点在于：螺纹车刀两侧切削刃所受的轴向切削分力有所抵消，从而可部分地克服车削中因轴向切削分力导致的偏斜现象，并能减小螺纹的牙型误差。缺点在于：车刀的两侧切削刃同时参加切削，两面排出切屑会挤在一起，排屑较为困难；同时螺纹车刀的受力和受热情况较为严重，刀尖易磨损；当吃刀量较大时，容易产生“扎刀”现象，既易损坏刀具又影响螺纹的质量[3-4]。

因此，在径向进刀方式的螺纹车削中，按照一般的加工工艺原则，吃刀量应逐步递减，而且针对粗加工、半精加、精加工进行分阶段递减。由于车刀容易磨损，螺纹车削加工中要做到勤测量。

2 力学分析与工装设计

该薄壁管状螺纹车削加工的切削力较大，各方向上的分力不一样。利用切削力在线检测系统可检测加工过程中X、Y、Z三个方向的分力，示意图见图3，结合有限元仿真分析出该管状零件的受力变形情况，进而通过工装的优化设计改善了工件的装夹情况[5]。

2.1 螺纹车削加工力学分析

利用牌号KC5025螺纹车刀进行切削时，多次用到切削深度0.3 mm。在高速切削的情况下，切削热使的该钛合金工件可能发生较为严重的氧化现象，且加工过程变得比较困难，因此切削速度小于60 m/min。利用Kistler 9257B型号的三向测力仪，得到切深0.3 mm，切削速度分别为20、30、40、50 m/min的条件下的切削分力，如图4所示。

从图4可以看出，Fx和Fy在切削速度为30 m/min附近时达到峰值，Fz一直保持较低的水平，约为50 N。当切削速度为30 m/min时，Fx和Fy分别为822 N和1 213 N。在螺纹车削加工过程中，Fy处于重载切削状态。

利用UG NX软件建立该工件的三维模型，以IGES格式文件导入ANSYS Workbench，网格划分完成后将切削力检测结果Fx、Fy、Fz输入到切削力各项分力中，求解后X、Y、Z三个方向的变形如图5所示。从模拟结果来看，该工件的轴向和周向变形远小于径向变形，由此可以说明该工件加工的径向内部支撑作用还不够[6]。

2.2 工装设计优化

通过力学检测和加工变形分析得出结论：该管状工件的径向变形较大，在加工过程中需要对内部支撑进行加强。在实际车削加工中，螺纹一端直径的变形量约为0.03 mm，对该结论有一定验证作用。

优化后的工装如图6所示，安装盘口部为圆锥面，楔形圆环和压板一共同作用，使得工件和楔形圆环的接触状态较好，能够保证螺纹加工过程中工件径向受力均匀，且在不同圆周位置时工件受到楔形圆环的支撑作用[7]。原有工装没有楔形圆环和压板一，安装盘口部为圆柱面，装夹时工件和安装盘直径难免有一定间隙，因此会引起残余应力和加工变形。图6中的工装很好地解决了加工变形问题，工件螺纹一端直径变形量减小为0.01 mm。

3 螺纹车削加工试验

3.1 刀具磨损试验

分别选用三种不同的切削速度(15 m/min，25 m/min，35 m/min)，按已确定的径向进刀量切削一个完整的螺纹，然后在扫描电镜下观察刀具的磨损。试验获得的刀具磨损程度与切削速度的关系见图7。

从试验结果可见，在刀具材料相同的条件下，随着切削速度的提高，刀具磨损迅速增大。螺纹实际加工过程中切削速度为35 m/min时，刀具寿命大约为一个工件的螺纹加工时间，而切削速度稍微降低时，刀具寿命得到提升，螺纹表面质量有一定提升[8-9]。对于Ti-6Al-4V钛合金的螺纹车削加工，选取切削速度30 m/min较为适宜。

3.2 切屑形状研究

通过Ti-6Al-4V钛合金外螺纹(M320 mm×4 mm)的车削试验，依次选用了吃刀量为0.75 mm、0.30 mm、0.20 mm、0.15 mm、0.10 mm、0.075 mm等多次走刀完成螺纹加工，图9为在不同吃刀量下的切屑形状。可以看出，随着进刀次数的增加而吃刀量的减小，切屑的变形量先减小后增大。而且当切屑变形较小时，V形切屑的两侧出现较大的不均匀变形。

因此，该管状工件的螺纹加工吃刀量选用原则为：粗加工吃刀量>0.30 mm，精加工吃刀量<0.15 mm。

通过刀具磨损试验和切屑形状的研究，确定了该管状工件螺纹车削切削参数组合为：精车切削速度30 m/min，吃刀量为0.10 mm，保证了车削加工效率的同时，提高了螺纹加工表面质量[10]。

4 螺纹检测方法

该螺纹对中径值要求为φ317.402±0.018 mm，在加工过程中分别采用了三针+外径千分尺、直径使用螺纹中径千分尺两种方法。

三针测量法螺纹中径d2的计算公式为：

(1)

式中：M为千分尺测得的数值，mm；d0为量针直径，mm；α为牙型角，°；P为工作螺距或螺杆齿距，mm。当螺纹牙型角是60°时，式(1)可简化为：

d2=M-3d0+0.866P

(2)

三针测量时，将3根直径相等、尺寸合适的量针放置在梯形螺纹两侧对应的螺旋槽中，用千分尺测量两边量针顶点之间的距离M，再由式(2)换算出螺纹中径值d2。量针直径不能过大，必须保证量针截面与梯形螺纹牙侧相切，量针直径过小则会使量针陷入牙槽中[11]。对于螺纹牙型角是60°的梯形螺纹，量针直径d0的最佳值为d0=0.577，P=2.308 mm。

在多件该管状工件外螺纹加工完成后，利用三针+外径千分尺、直径使用螺纹中径千分尺两种方法进行测量，并用高精度三坐标测量机进行复测。其中四组测量结果如表2所示。

该螺纹检测实验表明：三针加外径千分尺测量的中径尺寸误差较小，而直接用螺纹中径千分尺测量的中径尺寸误差较大，其误差达到0.01 mm。因此，选用三针加外径千分尺测量的方法较为合理。

表2 螺纹中径测量结果

零件序号1234三针+外径千分尺317.40317.405317.40317.405螺纹中径千分尺317.405317.415317.41317.41三坐标测量机317.3954317.4032317.3983317.4023

5 结语

通过对Ti-6Al-4V钛合金大直径螺纹加工工艺的研究，得出以下结论：

(1)选用硬度和韧性兼容的涂层螺纹车刀KC5025，并采用径向进刀的方式进刀。

(2)利用切削力检测和有限元仿真分析手段，优化了工装设计，将螺纹加工过程中直径变形量从0.03 mm减小到0.01 mm。

(3)螺纹车削加工适宜切削速度为30 m/min，粗加工吃刀量>0.30 mm，精加工吃刀量<0.15 mm。

(4)螺纹检测手段中，三针法测量的精度比直接使用螺纹中径千分尺测量的精度高。

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Research on machining technic of Ti-6Al-4V titanium alloy screw thread with large diameter and thin thickness

LI Jianjun, TUO Chao, TIAN Liming

(Institute of Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621907, CHN)

As to Ti-6Al-4V titanium alloy screw thread with large diameter and thin thickness, transmutation of workpiece makes processing more difficult. Meanwhile, angle diameter and surface quality have to be controlled to a high level. Aiming at solving these problems, several methods are conducted. Machining tool and feeding mode are elected, and machining clamp is optimized by taking advantage of mechanics analysis and finite simulation. Better turning parameters are excavated by machining tool abrasion experiments and research on swarf transfiguring mechanism. Measure method of angle diameter is confirmed by comparing precision of different means.

screw thread with large diameter; mechanics analysis; machining experiment; angle diameter checkout

TH162

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.021

李建军，男，1968年生，研究员，主要从事特种材料加工技术研究。

(编辑 孙德茂)

2016-05-09)

161128