劉戰(zhàn)鋒 張 卓

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安)

深孔套料技術(shù)在鈦合金類儀器外殼制造中的應(yīng)用

劉戰(zhàn)鋒 張 卓

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安)

根據(jù)鈦合金的材料特性和切削加工性能,設(shè)計了一套適用鈦合金類石油測井井下儀器外殼制造的深孔套料加工工藝。實踐結(jié)果表明,加工過程穩(wěn)定可靠,通過套料加工可顯著提高鈦合金的材料利用率,為鈦合金類儀器外殼制造提供了一套有效的加工工藝方法。

鈦合金;深孔套料;儀器外殼

0 引 言

隨著勘探范圍的不斷擴(kuò)展,鈦合金類測井儀器的應(yīng)用越來越廣泛。石油測井井下儀器中的感應(yīng)外殼、電子儀外殼、聲波外殼等鈦合金部件內(nèi)部的孔徑大多在Φ60 mm～Φ90 mm之間,對此材料進(jìn)行深孔鉆削,不僅材料的切削效率較低,刀具耐用度低,加工過程極不穩(wěn)定,且材料的利用率也隨著加工孔直徑的增大而減小,造成了材料的極大浪費(fèi),使得零件的加工成本大大的上升。套料鉆孔的方法加工鈦合金部件,可以大大提高材料的利用率,因此,深孔套料技術(shù)在鈦合金類儀器外殼制造中的應(yīng)用有著非常重要的意義。

1 鈦合金材料的性能

1.1 鈦合金材料特性

鈦合金材料為難以加工的工件材料,具有很高的比強(qiáng)度和熱強(qiáng)度,同時抗腐蝕性能和低溫性能都很好[1]。另外鈦合金還具有化學(xué)活性大、導(dǎo)熱性差和彈性模量小等特點(diǎn)。由于鈦合金材料有著這些優(yōu)異的性能特點(diǎn),因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

1.2 鈦合金的加工性能

鈦合金材料一方面有著良好的材料特性,而另一方面鈦合金的切削加工性卻比較差,切削加工性差的主要表現(xiàn)為[2]:

(1)切削變形系數(shù)小,小的切削變形系數(shù)是鈦合金切削加工中的顯著特點(diǎn),其變形系數(shù)值接近于1,有的甚至小于1,使得切屑在前刀面上的滑動摩擦路程大大提高,加速了刀具的磨損。

(2)切削溫度高,鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較小,導(dǎo)致了在切削刃附近極小的切削區(qū)范圍內(nèi)的切削溫度變高,比一般材料的切削溫度高了近1倍。

(3)單位面積上的切削力大,由于小的切削變形系數(shù)使得切削鈦合金時刀屑的接觸長度變小,單位接觸面積上的切削力大大增加,容易造成加工刀具崩刃。

(4)切屑呈鋸齒擠裂(剪切)狀,加工硬脆、硬化嚴(yán)重 ,鈦合金材料容易與空氣中的氣體介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng),形成硬脆變質(zhì)層,使得切屑呈鋸齒擠裂狀。在切屑的形成過程中,剪切區(qū)內(nèi)的鈦合金產(chǎn)生塑性變形,造成表面層的硬化加劇了刀具的磨損,降低了刀具耐用度。

(5)刀具磨損嚴(yán)重 切削加工鈦合金時,容易產(chǎn)生刀具的崩刃和粘結(jié)磨損。

2 深孔套料工藝的設(shè)計

本文以電子儀器外殼為例,材料為TC6,其具體加工尺寸要求如下:孔徑為Φ169 mm,加工長度L=1 980 mm,設(shè)計了其深孔加工工藝:鍛造—車斷面—車導(dǎo)引孔—深孔套料—深孔精加工—車外圓及加工螺紋和密封面,其中套料加工工藝環(huán)節(jié)則顯得尤為重要。

2.1 刀具結(jié)構(gòu)及刀片材料

刀具結(jié)構(gòu)實物圖如圖1所示。在相同排屑間隙的情況下,外排屑空間更大,而且切屑和棒芯分別從內(nèi)外兩層通路中排出,相互影響很小,并且當(dāng)套下的料芯下垂由鉆桿內(nèi)壁支撐時,不會影響排屑或損壞刀具。因此,為了更順暢的排屑,選用外排屑的加工方式及其加工系統(tǒng)進(jìn)行套料加工。鈦合金的切削加工性能比較差,切削加工時切削速度比較低,所以在針對鈦合金材料的套料加工時,宜選擇強(qiáng)度高、抗沖擊韌性較好的YG8硬質(zhì)合金刀齒材料作為深孔套料鉆的刀齒材料。

圖1 單齒外排屑套料鉆

2.2 套料鉆的幾何參數(shù)

確定刀具幾何參數(shù)時,考慮到鈦合金比強(qiáng)度和熱強(qiáng)度高、切削變形系數(shù)和彈性模量小等特點(diǎn),宜采用小前角、大后角以及較大的主偏角,使切削刃鋒利耐磨,減小切屑變形。因此取γ0=7°,α0=12°,kr=80°,λs=0°。

根據(jù)鈦合金材料特性,選用直線圓弧型的斷屑槽作為鈦合金深孔套料鉆的斷屑裝置,其參數(shù)為:斷屑臺的寬度Wn為1.8 mm～2.3 mm,離孔中心較近的刀齒斷屑臺寬度宜取小值,外側(cè)刀齒取大值,斷屑臺深度Hn取0.55 mm,圓弧半徑Rn一般取0.5 mm～0.8 mm。為了保證能很好達(dá)到斷屑目的,刀片采用了軸向階梯分屑方式,即利用刀刃在軸向相互錯開不同深度來進(jìn)行分屑。只要階梯高度c大于進(jìn)給量f,就能可靠分屑;在刀片外緣處,c值可取得小一些,而在靠近鉆芯處,c值可取得大一些,因為在鉆芯部分切削速度較小,切削變形較大,不易分屑。在滿足要求孔徑的前提下,盡可能增大料芯直徑,以便節(jié)約材料,但為了更好的斷屑和排屑,采用的單齒刀片分為5級階梯,取所使用的深孔套料鉆的切削刃總有效切削寬度(即背吃刀量αp)等于切削刃總寬度為14 mm,由外到內(nèi)每齒寬度分別為3 mm、3 mm、3 mm、2.5 mm和2.5 mm,分屑齒的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 套料鉆其他幾何參數(shù)的確定

圖2 刀齒軸向階梯分布徑向?qū)挾?/p>

導(dǎo)向塊的寬度設(shè)計原則是以不破壞導(dǎo)向塊與孔內(nèi)壁之間的潤滑油膜,保證二者之間的摩擦處于滑動摩擦狀態(tài);導(dǎo)向塊的長度既不能過長,過長不僅浪費(fèi)材料且易造成摩擦扭矩變大而打刀;也不能過短,過短則起不了導(dǎo)向作用。而該外排屑深孔套料鉆的導(dǎo)向塊,其長度可適當(dāng)取短些,一般取不大于15 mm。導(dǎo)向塊材料選用和刀具材料一樣的YG8硬質(zhì)合金,其寬度可取為B=9 mm,長度可取為15 mm,為了便于導(dǎo)向塊與孔內(nèi)壁之間油膜的形成,兩導(dǎo)向塊均采取了倒棱措施,兩導(dǎo)向塊的具體尺寸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 導(dǎo)向塊尺寸結(jié)構(gòu)

在深孔加工中,由于徑向力在切削加工過程中一直通過導(dǎo)向塊對已加工孔壁產(chǎn)生擠壓作用,使得工件內(nèi)孔壁在加工過后產(chǎn)生回彈收縮,其收縮量一般為0.005 mm～0.02 mm,因此,深孔套料鉆的直徑應(yīng)該予以適當(dāng)?shù)募哟笠詽M足收縮量,一般鉆頭的基本直徑是最小孔徑與2/3該孔徑的公差之和,因此取套料鉆的直徑Φ65mm;深孔加工過程中,深孔套料出芯棒直徑Φ2=Φ1-2αp=41 mm;而在不影響導(dǎo)向塊的導(dǎo)向和擠壓作用的前提下,為了減少外刀齒及導(dǎo)向塊對已加工孔內(nèi)壁的摩擦,應(yīng)將導(dǎo)向塊及外刀齒和刀體均刃磨成倒錐,考慮到鈦合金材料的彈性模量比較小,加工回彈量比較大,將鈦合金深孔套料鉆的外圓倒錐錐度設(shè)置為8/10 000。

2.4 切削用量及冷卻液的選擇

考慮到鈦合金材料的切削加工性比較差,取切削速度v=14.7 m/min～27.0 m/min,進(jìn)給量f=0.10 mm/r～0.15 mm/r。

鈦合金材料進(jìn)行深孔套料加工時,主要是為了降低其切削溫度,應(yīng)當(dāng)向切削區(qū)澆注大量以冷卻目的為主的切削液,最好不使用含氯的切削液,以防生成有毒的物質(zhì)并引起鈦合金材料發(fā)生氫脆[3],大大降低其切削加工性能,并且盡可能不選用水基切削液,因為水基的切削液在高溫下容易造成切削刃上積屑瘤的產(chǎn)生,因此宜采用潤滑作用比較大的極壓可溶性油作為冷卻切削液[4],因此選用20#和10#混合的機(jī)械油作為鈦合金深孔套料加工用切削液。

3 鈦合金儀器外殼深孔套料效果

3.1 加工質(zhì)量

按照以上工藝條件進(jìn)行套料加工試驗,加工出的工件所有尺寸均達(dá)到設(shè)計要求?？妆诘某叽缇瓤蛇_(dá)IT10,表面的粗糙度可達(dá)3.2μm,直線度可達(dá)20μm,同軸度小于10μm,滿足設(shè)計要求。

3.2 排屑效果

對鈦合金工件材料進(jìn)行外排屑深孔套料加工時,由于鉆削用量、刀具結(jié)構(gòu)、切削液流量的不同而出現(xiàn)了不同的切屑形態(tài)。在對該鈦合金工件的整個套料加工過程中,切削速度在14.7 mm/min～27.0 mm/min之間,進(jìn)給量處于f=0.10 mm/s～0.15 mm/r之間時,排屑和鉆削過程非常穩(wěn)定,切屑能很好的自動斷屑,能實現(xiàn)長時間的套料加工。

3.3 加工過程中存在的問題

(1)刀齒堵屑 在套料加工初期,由于考慮到鈦合金材料的切削加工性比較差而采用了不合理的低切削速度、低進(jìn)給量的鉆削用量以及小流量切削液,加之套料鉆排屑口開的不是很大并且排屑口出制造的不是很光滑,使加工過程經(jīng)常在刀齒排屑口處發(fā)生嚴(yán)重堵屑,而且發(fā)生堵屑的頻率與刀具磨損程度成正比,刀具磨損比較大時,容易發(fā)生堵屑,影響深孔套料加工的加工效率和加工質(zhì)量;

(2)入鉆不平穩(wěn) 套料加工入鉆初期,由于鉆頭和鉆桿形成的懸臂梁比較長,剛性比較差,且工件對刀具的反支承力系還不能形成穩(wěn)定的力平衡系統(tǒng),加之套料鉆導(dǎo)向塊與引刀口之間有一定的間隙,這些都削弱了套料鉆的導(dǎo)向作用。因此在進(jìn)行套料加工時,鉆頭產(chǎn)生比較大的徑向振動,使套料鉆入鉆不平穩(wěn),從而使已加工工件在入口處形成喇叭狀的開口,影響工件的加工質(zhì)量;

(3)振動大 由于鈦合金材料在套料加工時產(chǎn)生波動比較大的切削力和扭矩,因此,包括鉆桿在內(nèi)的整個加工系統(tǒng)在大波動的切削力和扭矩的作用下產(chǎn)生劇烈的振動,振動過程中發(fā)出尖銳刺耳的聲音,但是,這種振動對套料過程并不是件壞事,這種在加工過程中出現(xiàn)的振動相當(dāng)于振動切削加工,有利于切屑的自動斷屑;

(4)崩刃 在鈦合金的外排屑深孔套料加工過程中,由于前刀面上的刀—屑接觸長度較短,容易造成切削力集中于主切削刃附近,并且在鈦合金的切削加工過程中其切削力的波動較大,加之鈦合金深孔套料過程容易發(fā)生堵屑現(xiàn)象,因此,易造成其刀具刀齒的崩刃,影響加工效率和刀具耐用度;

(5)切屑形成不良 由于鈦合金材料本身的切削加工性比較差,變形系數(shù)比較小,在其深孔套料加工過程中切屑不易分屑,分屑效果時斷時續(xù),且分屑效果與刀具的刃磨質(zhì)量和切削液的流量都有相當(dāng)大的關(guān)系,隨著刀具的不斷磨損,切屑呈現(xiàn)不分屑的連續(xù)狀切屑,直接影響排屑效果。

3.4 解決措施

1)對排屑口的毛刺進(jìn)行必要的處理,使排屑口更加光滑;

2)對引刀口做必要的倒角處理,并可適當(dāng)加大引刀深度,在鉆頭入鉆和出鉆時,還要嚴(yán)格控制進(jìn)給量;

3)刀具磨損到一定程度,及時對套料鉆進(jìn)行重磨,使鉆頭更鋒利;

4)在加工過程中盡量采用大流量并且壓力穩(wěn)定的切削液,要求系統(tǒng)密封良好;

5)斷屑效果不好時可適當(dāng)加深斷屑臺深度、減小圓弧倒角半徑或采用雙級斷屑臺;

6)采取合理的鉆削用量對鈦合金進(jìn)行深孔套料加工可提高刀具的耐用度,并能減少堵屑的發(fā)生;

7)通過對加工過程扭矩的測量,當(dāng)扭矩有明顯的加大時,要及時停機(jī)以防刀齒堵屑,扭矩的測量起到預(yù)測堵屑的功能。

4 結(jié) 論

通過大量對鈦合金類測井儀器外殼深孔套料加工,并利用實踐結(jié)果進(jìn)行分析,可得出如下結(jié)論:

(1)深孔套料技術(shù)在鈦合金類石油儀器外殼制造中的應(yīng)用是可行的,且加工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性有了大幅度的提高。

(2)套料鉆頭采用γ0=7°,α0=12°,kr=80°,λs=0°的鉆頭幾何參數(shù)時,對鈦合金采用的最大鉆削用量為切削速度υ=27.0 m/min、進(jìn)給量f=0.15 mm/r,加工效果最優(yōu)。

[1] 陳 鼎,黃培云.鈦和鈦合金在低溫下的力學(xué)性能[J].礦冶工程.2002,22(3)

[2] 陳英澤,張曉丹.鈦及鈦合金的加工特點(diǎn)[J].電訊技術(shù).1995,35(6)

[3] 畢秀國,卜繁嶺.鈦合金鉆削加工及其新發(fā)展[J].工具技術(shù).2008,42(12)

[4] 韓榮第,楊榮福.切削鈦合金時幾種切削液的試驗效果[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報.1988,20(2)

The Application of Deep hole trepanning technology in the manufacture of tita- nium alloy Instrument shell.

Liu Zhanfeng and Zhang Zhuo.

According to the material properties and machining performance of titanium alloy,machining technology of deep hole trepanning,which is suitable for the oil logging tool of titanium alloy work piece was designed.The experimental result shows that the trepanning process is stable and reliable,and the material utilization of titanium alloy can be improved apparently by trepanning machining,which presents the effective processing methods for the instrument shell of titanium alloy work piece.

Titanium alloy;deep hole trepanning;Instrument shell

TH161+.1

B

1004-9134(2010)01-0009-03

劉戰(zhàn)鋒,男,1962年生,教授,主要從事機(jī)械制造及自動化、機(jī)械制造工藝、金屬切削及工具、孔加工技術(shù)領(lǐng)域的研究。取得國家專利5項,發(fā)表科研論文50余篇。郵編:710065

2009-11-06編輯劉雅銘)

PI,2010,24(1):9～11

·儀器設(shè)備·