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钛合金的切削加工技术

发表时间:2014-11-29

  钛合金的材料特性

  钛合金的比强度(强度与重量比)在金属结构材料中是很高的,它的强度与钢材相当,但其重量仅为刚材的57% 。另外,钛及其合金的耐热性强,在500℃的大气中仍能保持良好的强度和稳定性,短时间工作温度甚至还可以高些。钛合金具有比重小、热强度高、热稳定性和抗腐蚀性好等特性,但该材料切削加工困难、加工效率低。所以怎么样攻克钛合金加工难,效率低得困难一直是我们的难题。

  钛合金切屑加工的几种可能因素

  (1)材料中很有很高的质点,硬度或高温硬度高,加工硬化大。

  (2)导热性差,切屑温度高。

  (3)化学活性大,特别是高温强度大,易与刀具粘结,造成其切屑加工性差。

  (4)钛合金在300以上高温下极易与刀具材料产生亲和,切屑时刀具材料中的一些元素不是溶于钛中,便与钛发生化学作用,造成导热性差,热扩散率很小,切屑温度很高,钛合金的切屑温度很高,钛合金的切屑温度比45#钢高一倍以上。

  (5)钛合金的切屑力虽然不大,约为碳钢的75% 。但是切屑钛合金时刀尖所受的应力却是切屑碳钢的15倍,造成钛合金加工硬化现象很严重,因而对切屑加工性的影响也更大。

  用于切削钛合金的刀具材料

  按照钛合金材料自身加工的特性,要求刀具应具有抗变强度高,硬度高韧性好,热硬性好,耐磨性好及散热性好等特性。目前,国内外用于钛合金切削的刀具材料主要有:

  (1)TiC(N)基硬质合金 有很高的硬度和耐磨性。

  (2)涂层硬质合金 涂层刀具是在韧性较好的刀体上,涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物,使刀具既有高的韧性,又有很高的硬度和耐磨性,涂层刀具的寿命比未涂层刀具要高2~5倍。

  (3)陶瓷刀具 经高温高压烧结而成,具有较好的导热性和耐磨性及高的硬度,但是性质较脆,容易沿晶体的理体而破裂导致大块崩刃。

  (4)聚晶金刚石PCD和立方氮化硼等 这是在高温高压下将微细的立方氮化硼CBN材料通过结合烧结在一起的多晶材料,具有很高的热稳定性(可承受1200℃以上的切削温度),硬度和耐磨性。

  根据我们日常经常加工的钛合金零件实际结果来看,可以证实并分析出一下的特性

  (1)涂层硬质合金刀具能基本满足钛合金加工

  (2)采用低转速,降低刀具磨损,延长刀具的使用寿命。

  (3)快的进给速度,每转的切削在0.01mm左右,不易产生加工硬化现象

  (4)加工的转速不能太高也不能太低,太高或太低都会加速刀具的磨损。

  (5)采用进口的硬质合金刀具要比国产和配头的刀具韧性要好,断刀率要低。

   总之,钛合金加工不仅需要较好的刀具还需要其他的条件比如油压,刀具长度的合理选着,尾架的压力,机床的的直线度等等由于我们的轴类机床大部分都是锥夹 式自动定位,所以夹具本身的精度也影响加工出质量的好坏,还有工件本身的问题,排除其他的因素要合理的加工钛合金就必须要选者合理的加工参数,根据实际加 工的情况适当的调整。

  钛合金的切削加工技术:车削、铣削、磨削、钻削、铰削和攻丝

  车削

  钛合金车削易获得较好的表面粗糙度,加工硬化不严重,但切削温度高,刀具磨损快。针对这些特点,主要在刀具、切削参数方面采取以下措施: 刀具材料:根据工厂现有条件选用YG6,YG8,YG10HT. 刀具几何参数:合适的刀具前后角、刀尖磨圆。 较低的切削速度, 适中的进给量,较深的切削深度,充分冷却,车外圆时刀尖不能高于工件中心,否则容易扎刀,精车及车削薄壁件时,刀具主偏角要大,一般为75~90°。

  铣削

  钛合金铣削比车削困难,因为铣削是断续切削,并且切屑易与刀刃发生粘结,当粘屑的刀齿再次切入工件时,粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料,形成崩刃,极大地降低了刀具的耐用度。因此对钛合金铣削采取了3点措施:

  铣削方式:一般采用顺铣。

  刀具材料:高速钢M42.

   从工件装夹及设备方面提高工艺系统刚性。 这里需要特别指出的是:一般合金钢的加工均不采用顺铣,因机床丝杠、螺母间隙的影响,顺铣时,铣刀作用在工件上,在进给方向上的分力与进给方向相同,易使 工件台产生间隙性窜动,造成打刀。对顺铣而言,刀齿一开始切入就碰到硬皮而导致刀具破损。但由于逆铣切屑是由薄到厚,在最初切入时刀具易与工件发生干摩 擦,加重刀具的粘屑和崩刃,就钛合金而言,后一矛盾显得更为突出。 此外,为使钛合金顺利铣削,还应注意以下几点: 相对于通用标准铣刀,前角应减小,后角应加大。;铣削速度宜低。;尽量采用尖齿铣刀,避免使用铲齿铣刀;刀尖应圆滑转接;大量使用切削液。;为提高生产效 率,可适当增加铣削深度与宽度,铣削深度一般粗加工为1.5~3.0mm,精加工为0.2~0.5mm.?

  磨削

   磨削钛合金零件常见的问题是粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。其原因是钛合金的导热性差,使磨削区产生高温,从而使钛合金与磨料发生粘结、扩散以及强 烈的化学反应。粘屑和砂轮堵塞导致磨削比显着下降,扩散和化学反应的结果,使工件被磨表面烧伤,导致零件疲劳强度降低,这在磨削钛合金铸件时更为明显。为 解决这一问题,采取的措施是:

  选用合适的砂轮材料:绿碳化硅TL.

  稍低的砂轮硬度:ZR1. 较粗的砂轮粒度:60.

  稍低的砂轮速度:10~20m/s.

  稍小的进给量,用乳化液充分冷却。

  钻削 钛合金钻削比较困难,常在加工过程中出现烧刀和断钻现象。这主要是由于钻头刃磨不良、排屑不及时、冷却不佳以及工艺系统刚性差等几方面原因造成的。因此,在钛合金钻削加工中须注意以下几点: 刀具材料:高速钢M42,B201或硬质合金。 合理的钻头刃磨:加大顶角、减少外缘前角、增大外缘后角,倒锥加至标准钻头的2~3倍。 勤退刀并及时清除切屑,注意切屑的形状和颜色。如钻削过程中切屑出现羽状或颜色变化时,表明钻头已钝,应及时换刀刃磨。 加足切削液:一般用豆油,必要时可加法国OLTIP钻孔攻丝专用油。 提高工艺系统刚性:钻模应固定在工作台上,钻模引导宜贴近加工表面,尽量使用短钻头。 还有一个值得注意的问题是:当采取手动进给时,钻头不得在孔中不进不退,否则钻刃摩擦加工表面,造成加工硬化,使钻头变钝。

  铰削 钛合金铰削时刀具磨损不严重,使用硬质合金和高速钢铰刀均可。工厂常用的有W18Cr4V,M42,YW1,YG8,YG10HT等。使用硬质合金铰刀时,要采取类似钻削的工艺系统刚度,防止铰刀崩刃。钛合金铰孔时出现的主要问题是铰孔不光,可采取以下解决措施: 用油石修窄铰刀刃带宽度,以免刃带与孔壁粘结,但要保证足够的强度,一般刃宽在0.1~0.15mm为好。 切削刃与校准部分转接处应为光滑圆弧,磨损后要及时修磨,并要求各齿圆弧大小一致;必要时可加大校准部分倒锥;两次铰削。粗铰余量0.1mm,精铰余量一般小于0.05mm;主轴转速60r/min;铰完退刀时,手铰不能反转退出,机铰应不停车退出铰刀。

  攻丝 钛合金攻丝,特别是M6mm以下的小孔攻丝相当困难。主要因为切屑细小,易与刀刃及工件粘结,造成加工表面粗糙度值大,扭矩大。攻丝时丝锥选用不当及操作不当极易造成加工硬化,加工效率极低并时有丝锥折断现象。其解决办法如下: 优先选用一丝到位的跳牙丝锥,齿数应较标准丝锥少,一般为2~3齿。切削锥角宜大,锥度部分一般为3~4扣螺纹长度。为便于排屑,还可在切削锥部分磨出负倾角。尽量选用短丝锥以增加丝锥刚性。丝锥的倒锥部分应较标准的适当加大,以减少丝锥与工件的摩擦。 加工螺纹底孔时,先粗钻再用扩孔钻扩孔,以减小底孔的加工硬化。对于螺距为0.7~1.5mm的螺纹,底孔尺寸可加工到国标规定的标准螺纹底孔的上差并允许再加大0.1mm. 如果不受螺孔位置及工件形状限制,尽量采用机攻,避免手工攻丝进给不匀、中途停顿而造成的加工硬化。

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