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浅谈TC4钛合金的铣削加工

发布日期:2018-07-05  浏览次数:199
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  【摘 要】根据TC4钛合金的难切削加工性,从铣削加工时铣刀、铣削用量、铣削方式、切削液等的选取方面,介绍基本的铣削加工工艺和注意事项。
  【关键词】TC4合金 铣刀 铣削用量 氧化层
  一、引言
  Ti6Al4V(以下简称TC4)是目前用量最大的钛合金材料,其因具有密度小、强度高、比强度大、综合力学性能和工艺性能(热变形性、焊接性、耐蚀性)良好等一系列优点,而在航空航天、船舶、石化、医药卫生等领域得到广泛和成功应用。
  随着相关工业的飞速发展,TC4钛合金的使用量与日俱增,其在机械加工行业的切削加工也日渐成熟。钛合金铣削作为切削加工量中占比最大的加工方式,加之加工时易出现铣刀崩刃,耐用度底等问题,使得TC4的铣削加工受到普遍关注。
  二、TC4钛合金的切削加工性
  TC4钛合金属于(α+β)型钛合金,是典型的难加工材料之一,其切削加工性仅为45钢的1/5~2/5,介于不锈钢和高温合金之间。主要是因为:
  (一)TC4的导热率为铁的1/4、铝的1/16,比不锈钢和高温合金的导热率还要低,使得加工过程中产生的大量切削热大部分残留在刀具内,造成切削温度高,刀具迅速磨损。
  (二)与45钢相比,TC4的切削力是其2/3~3/4,但切屑与前刀面的接触面积却只有其1/2~2/3,所以切削刃承受的应力是钢的1.3~1.5倍,刀尖或切削刃更容易磨损或损伤。
  (三)相同条件下,TC4材料与刀具材料的摩擦系数大于碳钢,切屑沿前刀面流出的摩擦速度高,导致摩擦功大,摩擦界面温度高,刀具易磨损。
  (四)高温时,钛合金能与空气中的氢、氧、氮起化学反应,形成硬化层,造成工件塑性降低,切屑与前刀面接触面积减小,加速刀具磨损。
  (五)TC4的弹性模量约为钢的1/2,小弹性模量和大屈强比使切削加工时工件已加工面产生较大回弹和变形,刀具后角磨损,与零件摩擦加剧。
  三、TC4钛合金的铣削加工
  (一)铣刀的选择
  铣削TC4钛合金用铣刀常选高性能高速钢和硬质合金两种材质。高速钢铣刀可选铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al和钴高速钢W2Mo9Cr4Co8两种牌号。硬质合金铣刀可选YG10H和YG8两种牌号。钴高速钢因含钴而切削性能更好,当切削用量大时考虑使用。YG10H是亚细颗粒合金,硬度及抗弯强度均优于YG8,且耐磨性能、抗冲击和抗振性能好,适宜铣削加工TC4材料。
  铣削TC4用的铣刀,前角应比通用标准铣刀小、后角比它大,尽量采用锋利的尖齿铣刀。同时,考虑过渡刃和刀尖圆弧对铣刀耐用度的影响、考虑铣刀直径、铣削刃长度对本身刚性的影响,尽量采用铣刀工作部分短、具有过渡刃的大直径铣刀。
  (二)铣削用量
  为提高生产效率,铣削TC4钛合金时,也应尽量增大铣削深度、铣削宽度、铣刀齿数,适当降低铣削速度。立铣TC4时,可按下表(表1)选定铣削用量,再根据表面粗糙度要求、切深等条件加以修正,也可查资料按公式计算铣削速度。
  (三)其他
  1.铣削方式
  铣削TC4钛合金时,铣刀因断续切削、切屑与刀齿粘接而产生崩刃,刀具耐用度较低。铣削时选用顺铣的方式,可以减轻切屑粘刀,避免加工硬化,改善铣刀磨损,同时降低铣削功率,方便切屑清理。
  铣刀直径D
  /mm 铣刀转速n
  /rpm 每齿进给量af /mm
  3
  6
  10
  12
  20
  25
  50 611~1222
  306~611
  203~407
  153~306
  102~203
  76~153
  38~76 0.005~0.013
  0.005~0.03
  0.013~0.05
  0.013~0.08
  0.03~0.10
  0.05~0.15
  0.08以上
  表1 TC4钛合金立铣时常用速度和进给量
  2.切削液的使用
  铣削TC4钛合金时,可通过使用切削液提高铣刀耐用度,尤其是使用高速钢刀具时。用硬质合金铣刀铣削时,也可不用切削液,进行干切削。
  3.锻造氧化层的铣削
  TC4钛合金锻件的氧化层本身硬度大,且表面凹凸不平,铣削困难。氧化层虽可通过酸洗去掉,但会造成脆氢,需真空退火除氢,还是建议用切削的办法去除。
  铣削TC4氧化皮时,切削深度,切削深度应大于氧化层厚度,每齿进给量af一般在0.1mm左右,铣削速度应降至无氧化层时的50%左右。也可参按下表(表2)推荐的切削用量选取。
  4.铣刀损伤对策
  铣刀的损伤是指严重磨损、崩刃、断齿等。铣刀出现损伤时,可以通过改变铣刀几何参数(前角、后角)、切削用量、刀具材料、刀尖圆弧、刀具齿数、铣削方式,及切削液等对策解决。
  刀具材料 硬质合金 高速钢
  铣削速度v
  m/min 15~20 4~8
  每齿进给量af /mm 0.06~0.1 0.1~0.13
  轴向切深ap
  /mm 大于氧化层厚度
  径向切深ae
  /mm ≤0.6D 大于氧化层厚度
  表2 TC4钛合金锻造氧化层的铣削用量
  四、结语
  TC4钛合金的不良切削加工性给其铣削加工带来一系列刀具和精度问题。但参照技术资料或根据经验积累,通过选择合适的铣刀材质和几何参数,调整铣削用量和铣削方式,改善切削条件,并针对性分析和处理铣刀损伤,TC4钛合金的铣削难题便可迎刃而解。
  参考文献:
  [1]苌浩,何宁,满忠雷等.TC4的铣削加工中铣削力和刀具磨损研究[J].航空精密制造技术,2003(3):30-33.
  [2]何富源等编.机械加工工艺手册(第3卷) [M].北京:机械工业出版社,1992.
  [3]张幼桢.金属切削理论[J].北京:航空工业出版社,1988.

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