一种高精度台阶轴钛合金材料深小孔高效加工方法

摘要

一种高精度台阶轴钛合金材料深小孔高效加工方法，属于机械加工技术领域。本发明为了解决常规方法加工钛合金材料时，加工孔径精度低、散度大，导致与深孔装配零件的互换性差，存在需要重复修配加工的问题。本发明包括步骤a、钻导引孔；步骤b、采用深孔钻加工内层孔；步骤c、钻中间层孔；步骤d、粗镗外层孔；步骤e、精镗外层孔和镗中间层孔；步骤f、精镗中间层孔和镗内层孔；步骤g、铰内层孔。本发明通过上述深孔加工工艺方法及科学分配加工余量，改善了钛合金高精度阶梯深小孔系在加工过程的冷却状况和排屑状况，实现深孔粗精加工精准定心，保证加工深孔尺寸稳定可靠，提高生产效率，满足批量生产的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金材料深小孔加工方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

钛合金零件或组件中存在高精度台阶轴深小孔，尤其是航天钛合金产品中所涉及的深孔孔径尺寸、深孔直线度、位置度及表面质量要求极为严格，且产品使用需求大、使用要求高。目前高精度台阶轴钛合金材料深小孔加工质量一般较差，难于满足设计要求，加工效率低，产品供给量不足。

钛合金的密度约4.5g/cm3，仅为钢的60％，纯钛的强度已接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于钢等其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件，在航空航天领域有着广泛应用。

钛的导热系数λ＝15.24w/(m.k)约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20％～30％。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。

综上可知相比于钢材，钛合金材料使用性能优良，但切削加工性能较差，是一种典型的难加工材料。深孔加工过程中，切削热不易扩散，排屑困难，加之工艺系统刚性差，且不能直接观察刀具切削状况，深孔加工质量难于保证。对于两组深孔长径比分别达到23(322/14)和40.8(327/8)的深小孔系，台阶深小孔同轴度要求0.015，表面光洁度1.6，在传统钢材加工过程中未见相关研究，加工难度已经很大。常规方法采用机加深孔与人工配铰相结合的方式加工该深孔，加工孔径精度低、散度大，导致与深孔装配零件的互换性差，存在需要重复修配加工的问题，生产效率较低，难以满足批产需求。

发明内容

本发明的目的是解决常规方法加工钛合金材料时，加工孔径精度低、散度大，导致与深孔装配零件的互换性差，存在需要重复修配加工的问题，生产效率较低，难以满足批产需求的问题，提出一种高精度台阶轴钛合金材料深小孔高效加工方法。

本发明的一种高精度台阶轴钛合金材料深小孔高效加工方法，需要加工的工件由钛合金铸件和钛合金板组装而成，需加工孔位于被加工产品上所设置的已加工件一侧下方，所述需加工孔为阶梯形沉头孔，阶梯形沉头孔包括内层孔、中间层孔和外层孔，内层孔、中间层孔和外层孔的深度依次记为H1、H2、H3，需加工内层孔的孔径为Φd1，需加工中间层的孔径为Φd2，需要加工外层孔的孔径为Φd3，需加工深孔的孔中心线与所述已加工件外侧壁之间的间距为H4，其中H1＞300mm，H2＞190mm，H3＞70mm，H4≤40mm，Φd1＜Φd2＜Φd3，d3＜2×H4，具体步骤为：

步骤a、钻导引孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用深孔加工钻头对所述需要加工钛合金工件进行加工，获得直径为Φd11内层孔的引导孔；加工时，所述的深孔加工钻头的切削深度为H1；其中d11＝d1-Δd1，d1为需加工内层孔的孔径，Δd1＝0.3mm～2mm；

步骤b、采用深孔钻加工内层孔；

将步骤a中所述深孔加工钻头的切削钻头更换为深孔钻，采用所述立卧转换五轴镗铣加工中心对步骤a中所获得的引导孔进行加工，并获得直径为Φd12的孔洞；

所述深孔钻头的长度与深孔加工钻头的长度相同且其直径为Φd12，其中d12＝d-Δd2，d为需加工深孔的孔径，Δd2＝0.4mm±0.1mm；

步骤c、钻中间层孔；

将步骤b中所述深孔钻头，采用所述立卧转换五轴镗铣加工中心对步骤b中所获得的直径为Φd12的内层孔进行加工，并获得直径为Φd21，加工深度为H2的孔洞；

其中d21＝d2-Δd21，d2为需加工中间层孔的孔径，Δd21＝0.4mm±0.1mm；

步骤d、粗镗外层孔；

采用所述立卧转换五轴镗铣加工中心对步骤c中所获得的直径为Φd21的内层孔进行加工，并获得直径为Φd31，加工深度为H3的孔洞；

其中d31＝d3-Δd31，d3为需加工中间层孔的孔径，Δd31＝0.4mm±0.1mm；

步骤e、精镗外层孔和镗中间层孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用阶梯复合镗刀精镗外层孔和镗中间层孔，获得直径为Φd3，加工深度为H3的外层孔和直径为Φd22，加工深度为H2的中间层孔；

其中Φd3的尺寸公差值为d22＝d2-Δd22，d2为需加工中间层孔的孔径，Δd22＝0.2mm±0.05mm；

步骤f、精镗中间层孔和镗内层孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用阶梯复合镗刀精镗中间层孔和镗内层孔，获得直径为Φd2，加工深度为H2的中间层孔和直径为Φd13，加工深度为H1的内层孔；

其中Φd2的尺寸公差值为d13＝d1-Δd13，d1为需加工内层孔的孔径，Δd22＝0.2mm±0.05mm；

步骤g、铰内层孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用长杆铰刀铰内层孔，获得直径为Φd1，加工深度为H1内层孔；其中Φd1的尺寸公差值为

进一步地、步骤a中采用深孔加工钻头加工引导孔时，所述深孔加工钻头的转速n＝45r/min±5r/min，进给速度vf＝15mm/min±2mm/min。

进一步地、步骤b中采用深孔钻对步骤a中所获得的引导孔进行加工时，所述深孔钻头的转速n＝50r/min±5r/min，进给速度vf＝15mm/min±2mm/min。

进一步地、步骤g中采用长杆铰刀对步骤e中所获得的内层孔进行加工时，所述长杆铰刀的转速n＝30r/min±4r/min，进给速度vf＝10mm/min±2mm/min。

进一步地、所述需加工内层孔的深度H1＝322mm，所述需加工中间层孔的深度H2＝191mm，所述需加工外层孔的深度H3＝80mm，对应需加工内层孔的孔径Φd1＝14mm，需加工中间层孔的孔径Φd2＝18mm，需加工外层孔的孔径Φd3＝30mm，需加工深孔的孔中心线与所述已加工件外侧壁之间的间距H4＝36mm。

进一步地、所述的阶梯复合镗刀包括第一镗刀刀头和第二镗刀刀头，第一镗刀刀头和第二镗刀刀头复合形成一个阶梯形加工刀具。

本发明的有益效果：

1、本发明针对切削热不易扩散，排屑困难的问题，使用特制内冷刀具(非标整体硬质合金阶梯钻、非标整体硬质合金枪钻、非标精加工导条刀等)，刀具设置精抛光排屑槽，实现切屑和切削热的良好排出，改善加工过程的冷却状况和排屑状况，避免因出现刀具蹦刃或夹屑现象，而造成深孔钻钻头快速损耗或报废的现象。

2、针对加工系统刚性差、材料易回弹的问题，工艺过程中进行3次粗加工，在粗加工时依次将刀具前角设置为140°、130°、120°，同时加工过程中粗精工序皆进行导引孔加工，导引孔长度不小于1.5倍孔径，导引孔孔径留余量0.02mm，以共同实现刀具良好定心，保证加工深孔直线度和同轴度要求。

3、考量材料冷作硬化状况和易产生摩擦粘附现象，在精加工前将精加工余量控制在0.15mm，有效避开硬化层，同时在精加工刀具中设置金刚石导引条，实现了深孔加工的平稳切削，保证了加工质量。

通过上述深孔加工工艺方法及科学分配加工余量，改善了钛合金高精度阶梯深小孔系在加工过程的冷却状况和排屑状况，实现深孔粗精加工精准定心，保证加工深孔尺寸稳定可靠，提高生产效率，满足批量生产的需求。

附图说明

图1是本发明需要加工的钛合金工件的结构视图；

图2是本发明中步骤a的加工示意图；

图3是本发明中步骤b的加工示意图；

图4是本发明中步骤c的加工示意图；

图5是本发明中步骤d的加工示意图；

图6是本发明中步骤e的加工示意图；

图7是本发明中步骤f的加工示意图；

图8是本发明中步骤g的加工示意图；

图9是阶梯复合镗刀的结构视图；

图中1-钛合金铸件，2-钛合金板，3-第一镗刀刀头，4-第二镗刀刀头。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种高精度台阶轴钛合金材料深小孔高效加工方法，需要加工的工件由钛合金铸件1和钛合金板2组装而成，需加工孔位于被加工产品上所设置的已加工件一侧下方，所述需加工孔为阶梯形沉头孔，阶梯形沉头孔包括内层孔、中间层孔和外层孔，内层孔、中间层孔和外层孔的深度依次记为H1、H2、H3，需加工内层孔的孔径为Φd1，需加工中间层的孔径为Φd2，需要加工外层孔的孔径为Φd3，需加工深孔的孔中心线与所述已加工件外侧壁之间的间距为H4，其中H1＞300mm，H2＞190mm，H3＞70mm，H4≤40mm，Φd1＜Φd2＜Φd3，d3＜2×H4，具体步骤为：

步骤a、钻导引孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用深孔加工钻头对所述需要加工钛合金工件进行加工，获得直径为Φd11内层孔的引导孔；加工时，所述的深孔加工钻头的切削深度为H1；其中d11＝d1-Δd1，d1为需加工内层孔的孔径，Δd1＝0.3mm～2mm；

步骤b、采用深孔钻加工内层孔；

将步骤a中所述深孔加工钻头的切削钻头更换为深孔钻，采用所述立卧转换五轴镗铣加工中心对步骤a中所获得的引导孔进行加工，并获得直径为Φd12的孔洞；

所述深孔钻头的长度与深孔加工钻头的长度相同且其直径为Φd12，其中d12＝d-Δd2，d为需加工深孔的孔径，Δd2＝0.4mm±0.1mm；

步骤c、钻中间层孔；

将步骤b中所述深孔钻头，采用所述立卧转换五轴镗铣加工中心对步骤b中所获得的直径为Φd12的内层孔进行加工，并获得直径为Φd21，加工深度为H2的孔洞；

其中d21＝d2-Δd21，d2为需加工中间层孔的孔径，Δd21＝0.4mm±0.1mm；

步骤d、粗镗外层孔；

采用所述立卧转换五轴镗铣加工中心对步骤c中所获得的直径为Φd21的内层孔进行加工，并获得直径为Φd31，加工深度为H3的孔洞；

其中d31＝d3-Δd31，d3为需加工中间层孔的孔径，Δd31＝0.4mm±0.1mm；

步骤e、精镗外层孔和镗中间层孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用阶梯复合镗刀精镗外层孔和镗中间层孔，获得直径为Φd3，加工深度为H3的外层孔和直径为Φd22，加工深度为H2的中间层孔；

其中Φd3的尺寸公差值为d22＝d2-Δd22，d2为需加工中间层孔的孔径，Δd22＝0.2mm±0.05mm；

步骤f、精镗中间层孔和镗内层孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用阶梯复合镗刀精镗中间层孔和镗内层孔，获得直径为Φd2，加工深度为H2的中间层孔和直径为Φd13，加工深度为H1的内层孔；

其中Φd2的尺寸公差值为d13＝d1-Δd13，d1为需加工内层孔的孔径，Δd22＝0.2mm±0.05mm；

步骤g、铰内层孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用长杆铰刀铰内层孔，获得直径为Φd1，加工深度为H1内层孔；其中Φd1的尺寸公差值为

步骤a中采用深孔加工钻头加工引导孔时，所述深孔加工钻头的转速n＝45r/min±5r/min，进给速度vf＝15mm/min±2mm/min。

步骤b中采用深孔钻对步骤a中所获得的引导孔进行加工时，所述深孔钻头的转速n＝50r/min±5r/min，进给速度vf＝15mm/min±2mm/min。

步骤g中采用长杆铰刀对步骤e中所获得的内层孔进行加工时，所述长杆铰刀的转速n＝30r/min±4r/min，进给速度vf＝10mm/min±2mm/min。

具体实施方式二：在本实施例中所述需加工内层孔的深度H1＝322mm，所述需加工中间层孔的深度H2＝191mm，所述需加工外层孔的深度H3＝80mm，对应需加工内层孔的孔径Φd1＝14mm，需加工中间层孔的孔径Φd2＝18mm，需加工外层孔的孔径Φd3＝30mm，需加工深孔的孔中心线与所述已加工件外侧壁之间的间距H4＝36mm；

步骤a、钻导引孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用深孔加工钻头对所述需要加工钛合金工件进行加工，获得直径为Φ13mm内层孔的引导孔；加工时，所述的深孔加工钻头的切削深度为H1＝322mm；

步骤b、采用深孔钻加工内层孔；

将步骤a中所述深孔加工钻头的切削钻头更换为深孔钻，采用所述立卧转换五轴镗铣加工中心对步骤a中所获得的引导孔进行加工，并获得直径为Φ13.72mm的孔洞；

步骤c、钻中间层孔；

将步骤b中所述深孔钻头，采用所述立卧转换五轴镗铣加工中心对步骤b中所获得的直径为Φ13.72mm的内层孔进行加工，并获得直径为Φ17.7mm，加工深度为H2＝191mm的孔洞；

步骤d、粗镗外层孔；

采用所述立卧转换五轴镗铣加工中心对步骤c中所获得的直径为Φ17.7mm的内层孔进行加工，并获得直径为Φ29.7mm，加工深度为H3＝80mm的孔洞；

步骤e、精镗外层孔和镗中间层孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用阶梯复合镗刀精镗外层孔和镗中间层孔，获得直径为Φd3＝Φ30mm，加工深度为H3＝80的外层孔和直径为Φ17.85mm，加工深度为H2＝191mm的中间层孔；其中Φd3的尺寸公差值为

步骤f、精镗中间层孔和镗内层孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用阶梯复合镗刀精镗中间层孔和镗内层孔，获得直径为Φd2＝Φ18mm，加工深度为H2＝191mm的中间层孔和直径为Φ13.85mm，加工深度为H1＝322mm的内层孔；其中Φd2的尺寸公差值为

步骤g、铰内层孔；

在立卧转换五轴镗铣加工中心上采用长杆铰刀铰内层孔，获得直径为Φd1＝Φ14，加工深度为H1＝322mm内层孔；其中Φd1的尺寸公差值为

步骤a中采用深孔加工钻头加工引导孔时，所述深孔加工钻头的转速n＝45r/min±5r/min，进给速度vf＝15mm/min±2mm/min。

步骤b中采用深孔钻对步骤a中所获得的引导孔进行加工时，所述深孔钻头的转速n＝50r/min±5r/min，进给速度vf＝15mm/min±2mm/min。

步骤g中采用长杆铰刀对步骤e中所获得的内层孔进行加工时，所述长杆铰刀的转速n＝30r/min±4r/min，进给速度vf＝10mm/min±2mm/min。

具体实施方式三：本实施方式的一种高精度台阶轴钛合金材料深小孔高效加工方法，所述的阶梯复合镗刀包括第一镗刀刀头3和第二镗刀刀头4，第一镗刀刀头3和第二镗刀刀头4复合形成一个阶梯形加工刀具。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。