钛合金的切削加工技术

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钛合金的切削加工技术　　钛合金以其比强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想的制造材料，但由于其切削加工性差，长期以来在很大程度上制约了它的应用。随着加工工艺技术的发展，近年来，钛合金已广泛应用于飞机发动机的压气机段、发动机罩、排气装置等零件的制造以及飞机的大梁隔框等结构框架件的制造。我公司某新型航空发动机的钛合金零件约占零件总数的11%。本文是在该新机试制过程中积累的对钛合金材料切削特性以及在不同加工方法下表现出的具体特点的认识及所应采取工艺措施的经验总结。
　　1 钛合金的切削加工性及普遍原则
. a) M% I4 H# _( I1 R9 ]: }7 b　　钛合金按金属组织分为a相、b相、a+b相，分别以TA，TB，TC表示其牌号和类型。我公司某新型发动机所用材料为TA，TC两种。一般铸、锻件采用TA系列，棒料用TC系列。
　　特点及切削加工性
. }7 M: l0 u2 e3 L9 _　　钛合金相对一般合金钢具有以下优点：
) m6 P2 k' d9 a: W　　比强变高：钛合金密度只有4.5g/cm3，比铁小得多，而其强度与普通碳钢相近。
　　机械性能好：钛合金熔点为1660℃，比铁高，具有较高的热强度，可在550℃以下工作，同时在低温下通常显示出较好的韧性。
6 h3 N+ u/ x, b" t0 A% o6 y) T　　抗蚀性好：在550℃以下钛合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被进一步氧化，对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、盐介质均有较高的抗蚀能力。
: E5 O1 |' R* h2 H6 S' o　　另一方面，钛合金的切削加工性比较差。主要原因为：
* w/ I" |) T& Q7 I3 [) ~: D　　导热性差，致使切削温度很高，降低了刀具耐用度。
　　600℃以上温度时，表面形成氧化硬层，对刀具有强烈的磨损作用。
  u% O' j: g/ _* \& {' ]# R6 x) N　　塑性低、硬度高，使剪切角增大，切屑与前刀面接触长度很小，前刀面上应力很大，刀刃易发生破损。
+ m) C) |( x: R5 U　　弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面回弹量大，所以已加工表面与后刀面的接触面积大，磨损严重。
　　钛合金切削过程中的这些特点使其加工变得十分困难，导致加工效率低，刀具消耗大。
　　切削加工的普遍原则
　　根据钛合金的性质和切削过程中的特点，加工时应考虑以下几个方面：
　　尽可能使用硬质合金刀具，如钨钴类硬质合金与钛合金化学亲和力小、导热性好、强度也较高。低速下断续切削时可选用耐冲击的超细晶粒硬质合金，成形和复杂刀具可用高温性能好的高速钢。
　　采用较小的前角和较大的后角以增大切屑与前刀面的接触长度，减小工件与后刀面的摩擦，刀尖采用圆弧过渡刃以提高强度，避免尖角烧损和崩刃。
( o! G' p4 G* @3 w# h% b  M: \　　要保持刀刃锋利，以保证排屑流畅，避免粘屑崩刃。
　　切削速度宜低，以免切削温度过高；进给量适中，过大易烧刀，过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快；切削深度可较大，使刀尖在硬化层以下工作，有利于提高刀具耐用度。
+ B/ {2 n0 _6 X! ~0 G; F  t　　加工时须加冷却液充分冷却。
$ p4 y$ Z9 X. Q) @5 C, u7 Q, i　　切削钛合金时吃刀抗力较大，故工艺系统需保证有足够的刚度。由于钛合金易变形，所以切削夹紧力不能大，特别是在某些精加工工序时，必要时可使用一定的辅助支承。
$ m5 z$ k* N( p$ T　　以上是钛合金加工时需考虑的普遍原则，事实上，用不同的加工方法时及在不同的条件下存在着不同的矛盾突出点和解决问题的侧重点。
/ W" y. X( Y' n4 `3 j　　2 钛合金切削加工的工艺措施
6 h4 z! g1 \; Y% m% r- N　　车削
1 K3 z+ V4 d& @+ p7 r/ R　　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。
2 j# H& F" S$ v4 H2 a　　刀具几何参数：合适的刀具前后角、刀尖磨圆。
: D+ I' P: f& t! c: y8 W% g　　较低的切削速度。
9 i7 W/ H$ p& g6 b' M% [  n: H　　适中的进给量。
. q1 f' e" G* d$ }" O　　较深的切削深度。
$ ?* w+ s' \  z+ S1 n　　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°。
　　选用的具体参数见表1。
5 G8 _' m6 U& A$ r  k车削钛合金参数表
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+ l6 ]' \- T6 F　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。
9 G. l) S4 Q6 J0 ~6 g  v　　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。
, }* N1 G0 B' G8 L# V　　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。
  p) U2 Z/ x7 f: M. \　　铣削速度宜低。
　　尽量采用尖齿铣刀，避免使用铲齿铣刀。
# R- j3 a/ o# J3 Y' W8 L) \　　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
  K! E( D6 T4 X9 t4 j　　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著下降，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：
9 c1 K: L; Z  y( ^' Q2 ~0 Z" F9 @2 c8 O　　选用合适的砂轮材料：绿碳化硅TL。
　　稍低的砂轮硬度：ZR1。
& [1 b3 I7 _, \  m/ g8 ^. g& _　　较粗的砂轮粒度：60。
　　稍低的砂轮速度：10～20m/s。
　　稍小的进给量。
) U7 e( {8 C. C# ^- ^* r; @　　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：
, g6 N3 ]* c: }8 _9 r  O　　刀具材料：高速钢M42，B201或硬质合金。
& y2 x$ Z  }( T2 A* |　　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。
& T% Y9 _& m' F* e7 x+ n- R　　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：
, I! g; @. r1 Z8 i; z　　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。
1 M: H1 i* r* b　　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。
& I& \. f) R* I. O5 N4 S/ c　　两次铰削。粗铰余量0.1mm，精铰余量一般小于0.05mm。
- @! d- t2 n" Q9 B! y$ A/ @0 _　　主轴转速60r/min。
& F6 A& U: Q+ r- j+ f) ]3 k- V　　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
- L+ a& T' f6 C5 ^# D) B　　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：
) l( |8 D( D* N8 S9 r2 d$ ]　　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。
: E! i# O5 L8 J; b+ S4 b6 p# K5 r　　加专用的法国OLTIP润滑油。