陳 鑫 朱 林

西安石油大學,西安,710065

γ-TiAl深孔鉆削技術初探

陳 鑫 朱 林

西安石油大學,西安,710065

γ-TiAl合金具有耐高溫、抗氧化、密度低、比強度和比剛度高等特點,但其高強度、高硬度和高脆性也給機械加工帶來了很大困難,這在深孔鉆削中尤為突出。在研究γ-TiAl合金切削性能的基礎上,針對γ-TiAl合金的特點,選用三種國內常用的硬質合金刀片,對γ-TiAl合金進行了深孔鉆削試驗,結果表明:YG8硬質合金較適合用于鉆削γ-TiAl合金;鉆頭角度應選擇零前角或者微負前角(γo=-1°)以及盡可能大的后角(αo為 10°～ 12°)。

γ-TiAl合金;深孔鉆削;BTA深孔鉆頭;硬質合金

0 引言

γ-TiAl合金是一種新型金屬間化合物結構材料。γ-TiAl合金密度低[1](3.9～4.1g/cm3),高溫強度與剛度較高,抗氧化性能優(yōu)于鈦合金且很少出現(xiàn)所謂的“鈦火”現(xiàn)象,這些特征使其極有可能部分取代高溫鈦基合金和高溫鎳基合金而成為航空航天和汽車工業(yè)等領域的理想材料(如渦輪葉片、氣門、連桿、渦輪增壓器、滾子凸輪和活塞銷等的材料)。

雖然γ-TiAl合金有許多優(yōu)點,但γ-TiAl合金的斷裂延伸率特別低,加工困難并極易產生裂紋(尤其在孔即將鉆通時,較高的材料脆性易引起崩碎)。另外,加工γ-TiAl合金時產生的切削力和切削熱遠遠大于加工鋁、鋼和鈦合金時產生的切削力和切削熱。

深孔鉆削屬于一種比較特殊的金屬切削加工方法,在機械加工中占有很重要的地位。由于長徑比較大,深孔鉆削存在切削熱不易散出、切屑不易排出和鉆削系統(tǒng)剛性差等缺點[2],刀具耐用度與加工效率極低。因此,本文選擇γ-TiAl合金的深孔鉆削作為研究對象,通過鉆削試驗獲得有關刀具材料、刀具幾何參數(shù)和切削用量的最佳參數(shù)。

1 γ-TiAl合金的機械性能和切削性能分析

γ-TiAl合金的成分是 Ti-44.5A l-0.5Mo-1.0Cu-0.2Si,通過表1可以清楚地了解γ-TiAl合金的機械特性。

表1 γ-TiAl、鎳基高溫合金和鈦合金機械性能比較[3]

γ-TiAl合金的機械性能特點是:比強度高(2.3×105～2.43×105m2/s2)、比剛度高(4.2×107～4.5×107m2/s2);高溫性能好;彈性模量小;導熱性差;密度低;塑性差,γ-TiAl合金是同時擁有本征脆性和環(huán)境脆性的金屬間化合物。

γ-TiAl合金的切削加工性主要有:①由于γ-TiAl合金有很高的比強度(強度/密度)、很低的延伸率、相對低的導熱性能和彈性模量,故在切削加工γ-TiAl合金時將會產生較大的切削力和切削熱;②γ-TiAl合金塑性很差,加工過程中容易產生表面裂紋,在孔即將鉆通時出口端易出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象(圖1)。

圖1 鉆孔出口端出現(xiàn)的掉渣情況

2 用于 γ-TiAl合金加工的深孔鉆頭設計

在深孔鉆削系統(tǒng)中,鉆頭有著舉足輕重的地位,而鉆頭設計的首要任務就是刀片材料和刀具角度的選擇。

2.1 刀片材料的選用

為了提高γ-TiAl合金的切削加工性,針對其特點,可從選擇合適的刀片材料、優(yōu)化切削用量和刀具的幾何角度、增加系統(tǒng)剛度以及選擇合適的冷卻潤滑液等方面考慮。以下著重從刀片材料的選擇入手,對 γ-TiAl合金進行深孔鉆削試驗。

我們選擇了以下三種不同牌號的硬質合金:YG8、YG813和YW 2,通過鉆削試驗以獲得適合γ-TiAl合金深孔鉆削的刀具材料。

(1)YG8硬質合金。YG8硬質合金刀具是目前國內外加工鈦合金時使用最普遍的硬質合金刀具,它強度較高,且與鈦元素的親和性差。

(2)YW 2硬質合金。YW 2硬質合金刀具使用強度高,耐高溫性能較好,能承受較大的沖擊載荷,常被稱為通用硬質合金,它主要用于加工難加工材料,對一些還沒有找出合適刀具材料的難加工材料往往有很好的加工效果。

(3)YG813硬質合金。YG813硬質合金耐磨性好,有較高的抗彎強度和抗粘結能力,適用于加工高溫合金[4],對容易產生加工冷作硬化現(xiàn)象的奧氏體不銹鋼、高錳鋼等,加工效果優(yōu)于YW 2。

2.2 刀具角度的選擇

鉆頭采用的是單刃內排屑深孔鉆頭,它主要由內刃、外刃、鉆尖、導向塊以及排屑孔等部分組成?？紤]到γ-TiAl合金特殊的材料性能會導致較高的刀具負荷,切削γ-TiAl合金的刀刃不能設計得太鋒利。零度或微負前角γo可以大大地提高刀具的耐用度和切削速度。除此之外,γ-TiAl合金相對較低的彈性模量將導致孔內已加工表面與刀具后刀面之間產生劇烈的摩擦,所以后角αo應盡可能選大一些。圖2是用于γ-TiAl合金深孔鉆削的單刃內排屑深孔鉆頭設計圖,鉆頭直徑 d=12mm,前角 γo=-1°,后角 αo為10°～ 12°。

圖2 用于γ-TiAl合金深孔鉆削的單刃內排屑硬質合金深孔鉆頭設計圖

3 試驗條件與方法

3.1 試驗條件

試驗設備采用C630車床改裝的深孔鉆床和12mm深孔鉆頭。深孔鉆床的最高轉速為3000r/min,最小進給量為0.005mm/r。試驗所采用的C630車床改裝的深孔鉆床如圖3所示。圖4所示為12mm單刃內排屑深孔鉆頭。

工件材料為γ-TiAl(Ti-44.5A l-0.5Mo-1.0Cu-0.2Si);刀片材料為 YG8、YW 2、YG813;切削速度v=38m/m in;進給量 f=0.015mm/r;切削液采用20號機械油;測量儀器采用電阻應變式鉆削測力儀和萬能工具顯微鏡。

圖3 正在鉆削中的深孔鉆床

圖4 用于試驗的單刃內排屑深孔鉆頭

3.2 試驗方法和步驟

(1)用選出的三種不同硬質合金刀片材料制作成幾何參數(shù)相同的φ12mm單刃內排屑深孔鉆頭。

(2)用相同的切削用量和鉆削深度對γ-TiAl合金進行深孔鉆削試驗。

(3)分別測量使用三種不同材料鉆頭時的鉆削軸向力、刀具磨損量和已加工孔的尺寸。

4 試驗結果與分析

為了獲知三種不同刀具材料在鉆削中對刀具耐用度的影響,首先對鉆削軸向力進行了測量。圖5所示為在鉆削中測得的 YG813、YG8和YW 2三種刀具材料鉆頭的鉆削軸向力和平均軸向力。由圖5a可知,使用硬質合金YG8的鉆頭鉆削軸向力最小,而使用硬質合金YG813的鉆頭鉆削軸向力在入鉆后4m in內從最小變?yōu)樽畲?這就意味著這種硬質合金材料的鉆頭磨損最快。另外通過測量,在整個鉆削過程中YG8鉆頭的平均軸向力也是最小的。三種材料鉆頭所產生的平均軸向力如圖5b所示。

由圖6可發(fā)現(xiàn),加工γ-TiAl合金后,由于機械摩擦、切削熱和切削力而使鉆頭出現(xiàn)了磨損。從照片中可以看出,使用YG813的鉆頭后刀面磨損帶寬度VB最大,使用YG8的鉆頭VB最小,這個結果與鉆削軸向力的變化(圖5)相對應,即鉆頭磨損越快,鉆削軸向力增大得越快。對不同材料鉆頭磨損結果進行分析,其原因有兩個:一是硬質合金YG813(性能介于K 10和M 10之間)和YW 2(M 20)屬于M類硬質合金,這類硬質合金含有TIC成分;刀具材料中的TIC與被加工材料中的TI元素發(fā)生化學親和作用,使得鉆刃的磨損程度遠大于不含TIC成分的硬質合金材料YG8(K 20)。二是硬質合金YG8具有較高的熱導率且密度比其他兩種材料大[5]。

圖5 三種不同材料刀具鉆削軸向力比較

圖6 外刃后刀面磨損照片

表2所示的數(shù)據(jù)為三種不同材料鉆頭直徑、鉆削后孔的實際測量值以及計算出的鉆削擴張量。這些數(shù)據(jù)證明,深孔鉆削質量也和刀具材料有一定關系(出現(xiàn)這種情況的原因可能是由于三種材料鉆頭所產生的鉆削徑向力不同)。使用硬質合金YG8的鉆頭鉆削后孔徑的擴張量明顯小于其他兩種材料。

表2 三種不同硬質合金材料鉆孔擴張量

5 結論

本文從刀具材料的選擇出發(fā),初步研究了γ-TiAl合金的深孔鉆削技術。通過試驗得知,γ-TiAl合金卓越的機械性能會導致較高的刀具負荷和磨損。相比YG 813硬質合金和YW 2硬質合金,選用YG8硬質合金作為刀具材料可以有效地減小鉆削力和減少刀具磨損。另外,由于γ-TiAl合金低的導熱性、低的彈性模量和高的紅硬性,鉆頭角度應選擇零前角或者微負前角(γo=-1°)以及盡可能大的后角(αo為10～ 12°),冷卻潤滑液應選用切削油。

[1] 楊紹利.釩鈦材料[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

[2] 王世清,朱林.深孔加工技術[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,2003.

[3] Opalla D.Hochleistungsbohren MetallischerWerkstoffe m itWendelbohrern[M].Essen:Vulkan Verlag,2003.

[4] W einert K,Biermann D,Bergmann S.Machining o f H igh Strength Light Weight A lloys for Engine App lications[J].Annals of the CIRP,2007,56(1):105-108.

[5] 朱林,王克印.鈦合金TC11深孔鉆削刀片材料的選擇[J].宇航材料工藝,2005(3):53-56.

Experimental Study on Deep-hole Drilling Gamma Titanium Alum inide

Chen Xin Zhu Lin
Xi'an Shiyou University,Xi'an,710065

γ-titanium aluminide alloy has the advantages of high temperature resistance,high performance of anti-oxidation effect,low-density,high specific strength and rigidity etc.But high strength,hardness and brittleness of the material alsom ake processing difficultly.This problem is more acute in deep hole drilling.We analyzed the cutting performance ofγ-titanium aluminide and designed a deep-hole drills w ith appropriate tool m aterial and geometric parameters herein.The experimental resu lts show:(1)YG8 cemented carbide is the app rop riate toolm aterial for drillingγtitanium aluminide.(2)small rake ang le of external edge(γo=-1°)and big clearance angle of external edge(αois abou t10°～ 12°)shou ld be chosen.

γ-titanium alum inide;deep hole d rilling;BTA deep hole drill;cemented carbide

TG523

1004—132X(2011)06—0663—04

2010—07—15

(編輯 蘇衛(wèi)國)

陳 鑫,男,1983年生。西安石油大學機械工程學院碩士研究生。研究方向為高溫合金、鈦鋁合金深孔鉆削。發(fā)表論文3篇。朱 林,男,1958年生。西安石油大學機械工程學院院長、教授。