钛合金材料的钻孔技术分析

钛合金热稳定性好，高温力学变形系数小，具有良好的抗腐蚀性和粘接性能，主要应用于航空航天等领域中。但是钛合金导热系数低，单位面积上的切削力大，造成钛合金在钻削时，刀具磨损快，易导致钻头烧结、卡钻、钻斜、尺寸超差等。本文针对钛合金磨削钻削难加工问题，通过正确选择钻头角度、钻削用量、钻削冷却液等参数，保证钛合金零件钻削精度要求。

1 引言

钻削为半封闭式切削，钛合金在钻削过程中切削温度高，切削加工后回弹大，卷屑长面薄，切屑易粘结，不易排出［1］，往往造成钻头被咬住、扭磨等恶性事故［2］，零件加工效率低。本文提出选择合理的钻削用量、钻头角度，使用合适的钻削液，保证钛合金零件加工的质量。

2 钛合金钻削的难点

钛合金零件钻孔时由于切削区温度高，钻头与前刀面接触面积小，刀尖应力大。再加上切屑不易排出，刀具磨损大，钻削用量不易控制，造成零件变形大。切削液选择不当，易使钛合金发生化学反应生成TiO2、TiN等脆硬层，降低了零件疲劳强度，也加剧了刀具的磨损。钛合金壳体零件钻孔如图1所示。

零件材料为钛合金TC4，6－Φ3孔分布在零件为回转体的外圆曲线面上，加工的孔与零件的回转中心成一角度，加工斜孔时刀具易打滑钻斜、卡钻，造成尺寸超差，刀具易磨损。影响壳体零件钻孔加工的因素很多。

图1 钛合金壳体零件钻孔

2.1 切削温度高

钻孔时，由于钛合金组织六方晶格体系不易脱离平衡位置，使钻削加工面切削温度升高，造成钻头磨损大，加工易变形。

2.2 加工后回弹大

钛合金弹性模量小、屈强比大，在钻孔时钛合金在钻削力作用下产生较大的变形，当完成加工，在起钻时使已加工表面产生较大的回弹，引起加工的零件超差。

2.3 刀具易磨损

钛合金材料与钻头材料间摩擦系数大于碳钢间的摩擦系数，钛合金切削变形系数远比其它金属小，因此钛合金切屑沿钻头切削刃的摩擦速度高，摩擦界面温度高，刀具易于磨损折断。

2.4 切屑易粘接不易排出

钛合金亲和力大，加之高温高压作用，钻削时易产生粘刀现象，切屑挤在钻头沟槽中不易排出，造成刀具粘接产生积屑瘤。

3 解决方法及原理

3.1 合理的刀具材料

钛合金钻孔时，刀具材料选用不含或少含TiC的硬质合金材料，选用含钴或YG(K)硬质合金刀具材料，提高刀具材料的强度和耐用度，减小钛合金零件钻削加工时的吃刀抗力，消除切削力产生的变形。

3.2 合理的刀具角度

为了防止钻孔产生较大的回弹、减小钻削力、控制零件变形，选择增大顶角，两棱夹角修磨到135°－140°，增大钻头外缘处后角12°－15°。修小横刃长度0.08－0.1，以减少钻孔的轴向力。

3.3 合理的刀具结构

为了减小钻头与加工壳体间的摩擦力，提高钻头的刚性，可以采用四韧带钻头(见图2)，用以改变钻头的截面形式，加大截面惯性矩，以此提高钻头刚性，降低钻头折断次数。

图2 四韧带钻头

3.4 合理的钻削用量

根据钻孔直径的大小，选用合理的钻削用量，能降低钻削的切削热，减少刀具的磨损，控制零件变形，保证钻孔质量。壳体零件的钻孔直径为Φ3，钻头直径小，主轴转速太低影响零件表面加工粗糙度，进给量太大易使钻头卡钻、崩刃。

3.5 合理的注入方式

钛合金钻孔时，不宜选用水基切削液。应避免水在高温下形成蒸汽泡附着在切削刃上，在加工钻头产生积屑瘤，使切削不稳定。切削液宜选用N32机械加煤油，其配比为3∶1或3∶2，也可采用硫化切削油。

4 实例应用

加工钛合金6－Φ3(mm)孔时，选用钴钛合金钻头，并合理选择钻头刃磨角度。

(1)加大钻头顶角:2Φ =135°－140°，以增加钻头刚性;

(2)增大钻头边缘的后角:αf=12°－150°，以减小摩擦;

(3)增大螺旋角:β =35°－40°，以加大进给力;

(4)增大钻心厚度:d0=(0.4 －0.22)D ，以提高钻头刃性;

(5)修磨横刃采用S形或X形，形成第二切削刃，起分屑作用。

为了保证钻头加工零件孔的直线度，严格控制钻头的切削刃对轴心线的跳动量，不应大于0.03－0.1mm。

由于加工的零件孔较小，采用大的速度以提高零件表面加工质量，小的进给量以防止零件卡钻、崩刃。表1通过实践经验得出采用不同的钻头直径匹配不同的主轴转速和进给量。

表1 不同直径钻头的切削用量

为了防止钻头在斜面上加工的孔钻斜，用小于Φ3mm直径的铣刀在斜面先铣一小平面，防止钻孔时钻头飘移倾斜，再用Φ2mm中心钻定6－Φ3mm孔中心，保证钻头钻孔时有正确的位置，然后用Φ3mm直径的钻头将零件6－Φ3mm孔加工到需要的尺寸。

为了降低钻削时的切削温度，提高零件加工的表面粗糙度，及时带走积附在零件孔里的切屑，防止钛合金材料在高温下发生化学反应，使加工表面产生冷作硬化现象，选用电解液作为钛合金钻孔的切削液，其成分大概为葵二酸7% －10%，三乙醇胺7% －10%，甘油7% －10%。硼酸7% －10%，亚硝酸钠3%－5%，其余为水。也可选用32号机械油加煤油。

5 结语

钛合金材料(TC4)零件钻孔时，合理选用钻头材料、钻削角度、钻削量、钻削液，可提高钻头的强度，降低切削热，提高零件表面加工质量。根据零件加工孔的直径大小，合理选择不同的钻削参数，调整机床参数保证零件的尺寸加工精度，通过多批次的零件加工，使零件合格率由原来的70%提高到了97%左右。