The rolling process of the deep hole for high strength titanium alloys
HOU Zhonghai ① ， ZHANG Guangde ① ， DU Tao ② （ ①School of Automobile and Traffic Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，CHN； CHN） ②Wuchang Shipbuilding Industry Co． ，Ltd． ，Wuhan 430063 ， Abstract： The process of titanium alloys threaded holes is introduced． The influence of cutting － tool material and structure to the process technology are analyzed ，and many cutting tests are conducted to find out the reasons why knives burning ，drill breaking and cutting － tool wearing and other problems appear during the process are investigated from tool material and structure and improving measures are given out． Cutting fluids are discussed and corresponding cutting fluids are prepared． The tests prove that cutting tools and bits made by W2Mo9Cr4VCo8 are better than W18Cr4V and YG8 to the process of cutting and drilling for high strength titanium alloys． Animal fat like lard could improve the lubrication and cooling condition well during tapping process of titanium alloys and increase service life of cutting － tool． Keywords： titanium and titanium alloys； drilling； tapping； cutting fluid 钛及钛合金的机械性能好、 溶度小、 比强度高而又 耐腐蚀， 在核电、 生物医药和化工业中应用广泛， 且在 汽车、 航海及航空等领域的应用已经成为高新技术的 重要标志。但在实际应用过程中， 钛合金材料的优良 性能也成为加工时的难点所在， 特别表现在对其进行 小直径深螺纹孔机械加工的过程中 。加之钛合金装备 制造及工程应用是新兴产业， 缺乏这方面的经验， 也没 有相关的技术资料可以借鉴， 因此有必要寻求高强钛 合金小直径深螺纹孔成型的技术方案， 并对工艺进行 深入研究。
［5 ］
2． 1． 2
钻头几何参数
标准麻花钻头钻削加工钛合金时存在许多问题 ， ［6 － 7 ］ 根据项目攻关时的结论结合陈思涛 的观点， 麻花 钻头钻削钛合金的难点主要表现在 ： （ 1 ） 顶角 2 小， 切削刃长， 使钻头扭矩大， 轴向抗 力也大。同时， 切屑卷曲程度大， 切屑所占的空间大， 排屑不顺畅， 影响冷却。 （ 2 ） 螺旋角小， 螺旋角 β 影响主切削刃的前角， 螺 ， 。 旋角大 切削轻快 （ 3 ） 钻芯厚度 K 小， 钻削加工时钻头受扭矩和轴 向抗力大， 钻芯厚度小， 则强度低， 钻头易折断。 钻头的各基本参数见图 5 。
实验从钻头顶 为了找出适合钛合金加工的钻头， 角、 螺旋角及钻芯厚度 3 个方面进行了研究。 （ 1 ） 选择合适的钻头顶角 2 实验主要从以下 3 个方面对顶角进行研究改进： W2Mo9Cr4VCo8 是高速钢的一种， 该材料制造的 钻头适合加工钛合金， 与其化学成分有关 （ 摩尔比见 表 1 ） 。该材料含有 7． 5% ～ 8． 5% 的金属元素钴， 钴能 提高红硬性和热处理后的硬度， 也具有良好的散热性。 ①当钻头直径和进给量一定时， 增大顶角， 同时， 减小钻 头 刀 尖 角， 刀 尖 角 的 磨 损 速 度 降 低， 耐用度 上升。 ②当顶角等于 90° 时， 轴向截面为主截面。 增大
： a c = fsin / 2
（ 2 ） 选择合适的钻头螺旋角 β 钻头螺旋角 β 直接影响主切削刃 前 角。 β 角 增 大， 前角增大， 切削轻快， 易于排屑， 扭矩和轴向力也 小。螺旋计算公式如下： tanβ = πd / P 式中： d 为钻头直径； P 为螺旋槽导程。 切削刃上各点 β 角是变化的。靠近外缘处 β 角最 大， 前角也最大， 切削刃锋利， 切削性能好； 靠近钻心处 β 角最小， 切削性能较差， 将此处磨成圆弧状， 以改善 切削条件。 随 β 角增大， 切削刃强度减弱， 磨损快， 甚至会有 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。通过研究， 加工钛合金时钻头的螺旋角 β 随钻头直径的变化见表 2 。
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顶角 2 ， 钻心处的切削得到改善。 ③增大顶角， 减小切屑卷的螺旋度， 容易排出， 提 高了排屑性能。 通过分析， 在加工钛合金时应增大钻头顶角 2 ， 其范 围 是 135° ～ 140° 。 顶 角 与 切 削 厚 度 a c 有 如 下 关系
［7 ］
验时， 相同孔径选用不同切削速度及进给量 ， 观察加工 效果及刀具磨损情况， 并进行相应调整。
在加工过程中极易出现烧刀、 断钻及刀具磨损快 等问题， 为了解决这些问题， 重点在钻头的材料、 几何 参数和切削参数等方面进行了试验研究 。 2． 1． 1 钻头材料 对切削钛合金的刀具材料有以下要求： 足够的硬 度； 足够的强度和韧性； 足够的耐磨性； 刀具材料与钛 合金亲和能力要差 ； 在实际加工试验中， 应尽可能 减小对钻头的伤害， 保证加工质量。 对常用的刃具材料 W18Cr4V、 硬质合金 （ YG8 ） 以 及专用材料 W2Mo9Cr4VCo8 等制造的钻头进行切削 试验， 结果表明由材料 W2Mo9Cr4VCo8 制造的钻头加 工钛合金时刃口锋利、 磨损小， 孔壁表面质量较高， 切 屑为 带 状 切 屑 （ 见 图 1 ） ， 切 削 过 程 最 平 稳； 由 材 料 W18Cr4V 制造的钻头磨损明显 （ 见图 2 ） ， 产生单元切 屑（ 见图 3 ） ， 其切削力波动最大； 由材料 YG8 制造的 钻头产生挤裂切屑（ 见图 4 ） ， 孔壁质量较差。
表2 钻头直径 d / mm 螺旋角 β / （ ° ） 不同规格钻头的螺旋角 2 ～6 43 ～ 45 6 ～ 18 40 ～ 42 18 ～ 50 35 ～ 40
（ 3 ） 增大钻芯厚度 K 钻芯厚度小则强度低， 钻削加工钛合金时钻头承 受很大扭矩和轴向反力， 小直径钻头， 钻头易发生折 断， 需增大钻芯厚度以提高强度。 一般刀具钻芯厚度 K 与钻头直径 d 的关系： K = （ 0 ． 45 ～ 0 ． 32 ） d
表3
钻头直径 d / mm ≤3 3 ～6 6 ～ 10 10 ～ 15 15 ～ 20 20 ～ 25 25 ～ 30 30 ～ 35 ＞ 35 ≤13 7 ～ 10 5 ～7
钻头直径与切削用量的关系
切削速度 v / （ mm / min） 进给量 f / （ mm / r） 0． 01 ～ 0． 03 0． 04 ～ 0． 06 0． 07 ～ 0． 10 0． 11 ～ 0． 13 0． 13 ～ 0． 15 0． 16 ～ 0． 20 0． 21 ～ 0． 24 0． 24 ～ 0． 27 0． 27 ～ 0． 30
1
1． 1
钛合金加工特性分析
钛合金性能特点 ［1 ］ 钛合金可分为 3 种 ： α 钛合金， β 钛合金和 α + β
钛合金。α + β 钛合金， 如 TC4 （ Ti － 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、 韧性和塑性较好， 能进行淬火和时效处理， 使合 金强化。钛合金的性能特点主要表现为弹性模量小且
表4
钻头直径 d / mm 材料 顶角 2 / （ ° ） 螺旋角 β / （ ° ） 钻芯厚度 K 135 43 ～ 45 0． 35 d
钻头改进参数
6 ＜ d≤18 W2ຫໍສະໝຸດ o9Cr4VCo8 138 40 ～ 42 0． 40 d 140 35 ～ 40 0． 45 d 18 ＜ d≤50
［8 ］ 对于钛合金一般调整为 ： d ＜ 5 mm 时， K = 0 ． 4 d； d = 6 ～ 10 mm 时， K = 0. 3 d； d ＞ 10 mm 时， K = 0 ． 25 d。
刀具进行钻削实验后， 用对刀仪检测 VB （ 后刀面 ） 平均磨损宽度 评判磨损量。 图 6 为实测图， 此对刀 仪最大放大系数为 20 ， 通过投影直观地观察磨损部位 及磨损量， 并数字显示实测数据。
［4 ］ ［3 ］
表1
C 1． 05 ～ 1． 15 Mo
W2Mo9Cr4VCo8 的化学成分（ %）
Si ≤0． 40 W 1． 0 ～ 2． 0 Mn ≤0． 40 V 0． 8 ～ 1． 5 Cr 3． 8 ～ 4． 4 Co 7． 5 ～ 8． 5
。
2
2． 1
钻削加工工艺
钛合金钻削加工
9． 0 ～ 10． 0
* 国家自然科学基金资助（ 50975212 ） · 60 ·
比强度高、 热强性高、 化学活性大且导热性差 1． 2 钛合金加工特性