鈦合金的銑削加工技術(shù)

鈦合金的銑削加工技術(shù)鈦及鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、無磁、焊接性能好等優(yōu)異綜合性能，在航空航天等領(lǐng)域得到越來越廣泛應(yīng)用。但是，鈦合金的一些物理力學(xué)性能給切削加工帶來了許多困難。切削時(shí)鈦合金變形系數(shù)小、刀尖應(yīng)力大、切削溫度高、化學(xué)活性高、粘結(jié)磨損及擴(kuò)散磨損較突出、彈性恢復(fù)大、化學(xué)親合性高等特點(diǎn)，因此在切削加工過程中容易產(chǎn)生粘刀、剝落、咬合等現(xiàn)象，刀具溫度迅速升高，導(dǎo)致刀具磨損，甚至完全破壞。正因?yàn)殁伜辖鹁哂斜葟?qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)50年代開始，鈦合金在航空航天領(lǐng)域中得到了迅速的發(fā)展。鈦合金是當(dāng)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一，可以減輕飛機(jī)的重量，提高結(jié)構(gòu)效率。在飛機(jī)用材中鈦的比例，客機(jī)波音777為7%，運(yùn)輸機(jī)C-74為10.3%,戰(zhàn)斗機(jī)F-4為8%。但是由于鈦合金價(jià)格高，耐磨性差等原因，限制了其使用領(lǐng)域。近幾十年以來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)航天航空應(yīng)用所研究的鈦合金等均取得了很大進(jìn)步，許多合金也得到廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)航天航空產(chǎn)品中鈦合金銑削加工技術(shù)進(jìn)行論述，供同行們參考。1.鈦合金簡(jiǎn)介鈦是同素異構(gòu)體，熔點(diǎn)為1720°C，在低于882°C時(shí)呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為a鈦；在882C以上呈體心立方品格結(jié)構(gòu)，稱為0鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：a鈦合金它是a相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實(shí)際應(yīng)用溫度下，均是a相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)。在500?600C的溫度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度不高。0鈦合金它是0相固溶體組成的單相合金，未熱處理即具有較高的強(qiáng)度，淬火、時(shí)效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度可達(dá)1372?1666MPa；但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。a+0鈦合金它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50%?100%；高溫強(qiáng)度高，可在400?500C的溫度下長(zhǎng)期工作，其熱穩(wěn)定性次于a鈦合金。三種鈦合金中最常用的是a鈦合金和a+0鈦合金；a鈦合金的切削加工性最好，a+0鈦合金次之，0鈦合金最差。a鈦合金代號(hào)為TA，0鈦合金代號(hào)為TB，a+0鈦合金代號(hào)為2.鈦合金銑削加工時(shí)切屑的形成由于鈦合金工件材料有不同的種類，各種材料的切削加工性不同，切削條件不同，切削變形的程度也就不同，因而所產(chǎn)生的切屑形態(tài)也就多種多樣。歸納起來，可分為以下四種類型：帶狀切屑、節(jié)狀切屑(鋸齒狀切屑)、粒狀切屑及崩碎切屑，如圖1所示。鋸齒狀切屑可導(dǎo)致切削力高頻率地周期變化波動(dòng)，而且會(huì)增加刀具磨損速率，降低加工表面質(zhì)量，甚至?xí)档土慵募庸ぞ?，因此切屑的形成機(jī)理研究是有助于加工中其他現(xiàn)象的研究和解釋的。（1）切削速度對(duì)切屑形成的影響有研究表明，對(duì)于低導(dǎo)熱性和高加工特性的鈦合金可以在1.5?4800m/min很寬的切削速度范圍內(nèi)形成鋸齒狀切屑，隨著速度的增加，鋸齒化程度加重，直至成分離的單元切屑。在銑削加工中，切削參數(shù)中切削速度對(duì)于切屑形態(tài)具有最重要的影響。切削速度對(duì)形成鋸齒狀切屑的作用，一方面是隨著切削速度的提高，應(yīng)變速度加大，導(dǎo)致脆性增加，易于形成鋸齒狀切屑；另一方面，切削速度的提高，引起切屑溫度的增加，致使脆性減少。因此，提高切削速度對(duì)于鋸齒狀切屑的形成是綜合作用的結(jié)果。對(duì)于鋸齒狀切屑的形成機(jī)理，現(xiàn)有絕熱剪切理論（Adiabaticsheartheory）和周期性脆性斷裂理論（Periodicbrittlefracture）兩大理論體系。（2）剪切角對(duì)切屑變形的影響剪切角屮和切削變形有十分密切的關(guān)系。屮若減小，切屑便變厚變短，變形系數(shù)便增大；相反屮若增大，切屑便變薄變長(zhǎng)，變形系數(shù)就會(huì)減小。切削開始時(shí)，隨著切削速度的增加，摩擦系數(shù)0增加，剪切角屮減小，切屑增加；但是在高速切削范圍，隨著切削速度的提高，摩擦系數(shù)0減小，剪切角屮增大，切削力降低。在銑削加工過程中，剪切過程如圖2所示。（3）鈦合金切屑的變形系數(shù)切屑變形系數(shù)是切削層長(zhǎng)度與切屑長(zhǎng)度的比值，反映切削過程的塑性變形程度。一般來說變形系數(shù)越大塑性變形越大，鈦合金的變形系數(shù)近似為1，甚至小于1，其原因就是鈦合金切削過程中變形不均勻，集中剪切變形生成節(jié)狀切屑，切屑成鋸齒狀造成的。切屑變形系數(shù)公式為從上式可以看出變形系數(shù)對(duì)于鈦合金切屑來說不能真實(shí)反映切削過程中塑性變形的情況主要是由于鈦合金切削過程中變形不均勻，集中剪切變形生成鋸齒狀切屑造成的。在銑削加工中，變形系數(shù)隨切削速度變化情況如圖3所示。TC。3.銑削中銑刀的磨損原因和機(jī)理在鈦合金的機(jī)械加工過程中，鈦合金的銑削比較困難，主要問題是切削區(qū)域容易與鈦發(fā)生粘結(jié)，刀齒易崩刃，刀具壽命低。在加工時(shí)，銑刀是進(jìn)行間斷加工，銑刀的每個(gè)刀齒在銑削一轉(zhuǎn)中只有一段作銑削工作，而其余的過程中切屑都粘附在刀齒上。另外，切削鈦合金時(shí)，銃削工作區(qū)的溫度高達(dá)1200°C以上，切削力又大，而且切屑和刀具前面接觸面積較小，高溫集中在一個(gè)很小的面積上，這樣就容易使刀具磨損。切削鈦合金時(shí)，刀具磨損主要都是在高溫?zé)嵝?yīng)作用下而產(chǎn)生的磨損。銑床大多使用高速鋼刀具，由于其切削溫度比高速鋼和鈦合金的粘結(jié)溫度要低，因而采用高速鋼刀具進(jìn)行切削，粘附磨損不是刀具的主要磨損原因，主要磨損原因是高溫?zé)嵝?yīng)作用下，高速鋼刀具材料迅速軟化，失去硬度和強(qiáng)度而引起，當(dāng)切削速度較低時(shí)，切削溫度不高就可以解決高速鋼軟化問題。而對(duì)硬質(zhì)合金來講，磨損主要是粘結(jié)溫度所引起的粘附磨損。銑削加工是不連續(xù)的切削過程，斷續(xù)切削時(shí)除了沖擊負(fù)荷的作用影響刀具的壽命外，還有粘附剝脫磨損，嚴(yán)重影響刀具的壽命。以逆銑為例，如圖4所示，切削過程中產(chǎn)生的切屑粘在刀齒前面上，在高的切削熱作用下，粘在刀齒上的切屑變軟，其硬度也不大。但是當(dāng)銑刀齒切出工件表面后刀齒不工作，一經(jīng)冷卻，粘在刀齒上受熱軟化了的切屑也就冷卻下來，于是又恢復(fù)原來的強(qiáng)度。當(dāng)下一次（第二轉(zhuǎn)）這個(gè)刀齒在切入工件時(shí)，這個(gè)強(qiáng)度很高的粘在刀齒上的切屑就被硬磁碰掉。在它被碰掉時(shí)，就會(huì)因與刀齒粘附得很緊而奪取刀具工作面上的金屬分子質(zhì)點(diǎn)（特別是硬質(zhì)合金刀具），引起刀具工作表面的“剝脫磨損”，甚至引起“崩刀”，使刀具迅速破壞。如果沒有崩刀，刀刃還有，但是刀具前角面由于被切屑粘掉一部分，造成粗糙不平，當(dāng)這帶有粗糙不平的表面第二次切入工件時(shí)，就會(huì)使切屑在工作面上流動(dòng)困難，產(chǎn)生“停滯”、“集屑”現(xiàn)象，長(zhǎng)成刀瘤。無法進(jìn)行下一次切削。所以在斷續(xù)切削時(shí)容易產(chǎn)生“刀瘤”，而在連續(xù)切削時(shí)則不容易出現(xiàn)刀瘤，在銑削鈦合金時(shí)為了減少刀具這種剝脫磨損及崩刀、集瘤等現(xiàn)象可以采用順銑的方法加以改善。當(dāng)采用順銑時(shí)，如圖5所示，切削的深度由大變小，切屑由厚變薄，且總是薄的一邊最后離開刀齒，切屑容易折斷，而且慣性力往往使切屑在冷卻之前就和刀齒脫離，因而切屑由于粘附而奪取刀齒工作面的分子就少，刀具壽命自然就會(huì)提高了，根據(jù)我們的加工經(jīng)驗(yàn)，順銑比逆銑刀具壽命要提高1倍多。另外可以采用不對(duì)稱的立銑方法加工鈦合金，刀具壽命可提高2?3倍，如圖6所示。4.鈦合金銑削加工刀具材料選用及切削用量的選取切削加工鈦合金的刀具材料，要求抗變強(qiáng)度高、硬度高、韌性好、熱硬性好、耐磨性好，還要散熱好，決不能用含鈦的刀具材料，因?yàn)楹伒牡毒卟牧显诟邷叵潞苋菀着c鈦合金親和，加劇刀具磨損。切削刀具要求刀面表面光潔，刃口鋒利。對(duì)多刃刀具，應(yīng)控制切削刃的跳動(dòng)量，常用切削鈦合金的刀具材料如表1所示。

表1常用切削鈦合金的旳具材料牌號(hào)抗奇姜度crj/MPa硬度HRA刀具種嘗TG6_13S￡)'?1.0'車TL穗77,鐵刀.鉆頭"較刀Y創(chuàng)"iw77,雀TL錐J7,鉆頭，錢刀，堆紋刀具，拉77■l^ao鐵刀.站頭.蛟刀、拉刀W12Ct4V4^岳—67辛刀，鯉刀，成形魏J7,密頭，較刀、徑施“推刀制衛(wèi)Crf-VJCQSSi2844-3334車7L觥TL成寵鋭JL鮎頭，較7L啓7眞拉J7V/￡MO5Cr4V2AL4511-4600車刀.惟刀.成龍社刀，鉆頭，較刀，螺紋刀具，垃77,經(jīng)錐W10M04Gr4V3AlZ452-3138■S6-6?社7L站頭，鐵77切削鈦合金時(shí)，切削溫度高、刀具壽命低，切削用量中切削速度對(duì)切削溫度的影響最大，因此應(yīng)力求使所選擇的切削速度下產(chǎn)生的切削溫度接近最佳范圍。高速鋼刀具切削鈦合金時(shí)的最佳切削溫度約為480?540°C,硬質(zhì)合金刀具約為650?750°C。切削鈦合金一般采用較低的切削速度、較大的切削深度和進(jìn)給量。（1）切削速度二切削速度對(duì)刀具壽命影響最大，最好能使刀具在相對(duì)磨損最小的最佳切削速度下工作。切削不同牌號(hào)的鈦合金,由于強(qiáng)度差別較大,切削速度應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。切削深度對(duì)切削速度也有一定影響，應(yīng)根據(jù)不同的切削深度來確定切削速度的大小，核正系數(shù)如表2和表3所示。葢2不同鈦合金的切削邀度校正系數(shù)鈦合金牌號(hào)校正皺合遙牌號(hào)校芷磁TA2,:射'44L-735-1.85TCK卻―11陌0.877A&TA7'-TC1,8S6-?3-i1出TB1,TB2：10715-1372— 譽(yù)e—丹0.?表連不同切削深腐的切削速度校正系數(shù)1*丘H1TL校正切削植正切削探燮口p/muL校正?系裁0.125：1.4411：3.80.770.251.2