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钛合金零件加工工艺方法分析

发布日期:2018-07-18  浏览次数:894
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  摘 要:钛合金机械性能优良,而工艺性能较差,这就导致了其应用前景看好但加工较为困难这一矛盾。本文通过分析合金材料的金属切削性能,结合多年实际工作经验,在加工钛合金刀具的选用、切削速度的确定、不同切削方法的特点、加工余量及加工注意事项等多方面进行了探讨,阐明了本人对钛合金机械加工方面的见解和建议。
  关键词:钛合金;机械性能;工艺方法;材料
  0 引言
  钛合金密度低、比强度(强度/密度)高、抗腐蚀性能好、耐热性高、韧性、塑性、可焊性均较好,目前在航空航天、汽车、医学、体育用品及电解工业等许多领域均已大量使用钛合金。但导热性能差、硬度高、弹性模量低等特性也导致钛合金成为较难加工的金属材料。本文是针对其工艺特性总结出的钛合金切削加工中的一些工艺措施。
  1 钛合金材料的主要优点
  (1)钛合金强度高而密度小(4.4kg/dm3)、重量轻,为一些大型结构件减轻重量提供了解决方案。
  (2)热强性高。钛合金在400~500℃条件下仍能维持较高的强度,可以稳定的工作,而铝合金的工作温度只能在200℃以下。
  (3)与钢材相比钛合金固有的高耐蚀性可以节省飞机日常运行和维护保养的成本。
  2 钛合金加工特性分析
  (1)导热系数低。TC4在200℃时热导率l=16.8W/m?℃,导热系数是0.036卡/厘米?秒?℃,仅是钢的1/4,铝的1/13,铜的1/25。在切削加工过程中散热和冷却效果差,缩短了刀具寿命。
  (2)弹性模量低,零件已加工表面回弹大,导致已加工表面与刀具的后刀面接触面积增大,既影响零件尺寸精度又降低了刀具耐用度。
  (3)硬度因素。硬度值低的钛合金加工时会发粘,切屑沾在刀具前刀面的切削刃附近形成积屑瘤,影响加工效果;硬度值高的钛合金加工时容易使刀具产生崩刃和磨蚀。这些特性导致钛合金金属去除率低,仅为钢件的1/4,加工时间较同尺寸钢件要长得多。
  (4)化学亲和性强。钛不仅可以与空气中的主要成分氮、氧、一氧化碳等物质发生化学反应,在合金表面形成TiC及TiN硬化层,而且在切削加工产生的高温条件下还能与刀具材料起反应,降低了刀具的耐用度。
  (5)切削过程中的安全性能差。钛属于易燃金属,微量切削时加工中产生的高温和火花可能引起钛屑燃烧。
  3 钛合金加工工艺方法
  (1)尽可能使用硬质合金刀具,钴类硬质合金具有强度高、导热性较好的特点,与钛高温下也不易发生化学反应,适合用来加工钛合金。
  (2)合理选择刀具几何参数。为降低切削温度,减少刀具粘结现象,可适当减小刀具前角,通过增加切屑与前刀面的接触面积来散热;同时增大刀具后角,减少因已加工表面回弹与刀具后刀面摩擦接触而产生刀具粘结、已加工表面精度降低的现象;刀尖宜采用圆弧过渡以增强刀具强度。加工钛合金要经常修磨刀具以保证其刃形锋利、排屑顺畅。
  (3)适宜的切削参数。确定切削参数可参考一下方案:较低的切削速度――切削速度高会导致切削温度急剧升高;适中的进给量――进给量大则切削温度高,进给量小则刀刃因在硬化层中切削时间长而磨损加快;较大的切削深度――刀尖越过钛合金表面的硬化层切削能提高刀具寿命。
  (4)加工中切削液流量和压力要大,对加工区域要充分连续的冷却以降低切削温度。
  (5)选用机床必须始终注意提高稳定性以避免振动趋势。振动会造成刀刃崩碎、刀片损坏的结果。同时,加工钛合金工艺系统刚性要好以保证切削时采用较大的切削深度,但钛合金加工回弹大,夹紧力较大会加剧工件变形,故精加工时可以考虑使用拼装夹具等辅助支撑以满足工艺系统刚度要求。
  (6)铣削方式一般采用顺铣。钛合金加工中逆铣造成的铣刀粘屑和崩刃要比顺铣产生的铣刀破损严重得多。
  (7)磨削常见的问题是粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。故磨削时宜采用磨粒锋利、硬度高、导热性好的绿碳化硅砂轮;根据被加工表面光洁度的不同砂轮粒度可采用 F36~F80;砂轮硬度应较软,用以减少磨粒与磨屑的粘附,降低磨削热;磨削进给量要小、速度偏低,乳化液充足。
  (8)钛合金钻孔时需要对标准钻头进行修磨以减少烧刀和钻头折断现象。修磨方法:适当增大顶角、减小切削部位前角、增大切削部位后角,圆柱刃倒锥度数翻倍。加工中应增加退刀次数,钻头不得在孔内停留,及时清除切屑,足量的乳化液冷却,注意观察钻头变钝应及时清除切屑,足量的乳化液冷却,注意观察钻头变钝应及时更换修磨。
  (9)钛合金铰孔也需要对标准铰刀进行改制:铰刀刃带宽度应小于0.15mm,切削部位与校准部位宜圆弧过渡,避免出现尖点。铰孔时可采用组铰刀多次铰削,每次增加铰刀直径0.1mm以下,主轴转速宜稍慢,退刀时不停车。用这种方法铰孔能达到较高的光洁度要求。
  (10)攻螺纹是钛合金加工中最为困难的一环,因扭矩过大,丝锥刀齿很快就会磨损,已加工部位的回弹甚至能使丝锥折断在孔内。选用普通丝锥加工时应根据直径大小适当减少其齿数以增大容屑空间,在校准齿上留出0.15mm宽度的刃带后需将后角增大至30°左右,去除1/2~1/3齿背,校准齿保留3扣后增大倒锥度数。建议选用跳牙丝锥能有效的减少刀具和工件接触面积,加工效果亦较好。
  4 加工注意事项
  (1)刀具勤修磨、保持锋利,以确保其加工过程中产生尽可能少的切削热。
  (2)设备、刀、工、夹具应保持整洁,切屑及时清除。
  (3)使用不燃或难燃的工具转移钛屑。将处理掉的碎屑存放在不可燃容器中覆盖好。
  (4)操作清洗过的钛合金零件应戴干净的手套,避免以后造成氯化钠应力腐蚀。
  (5)切削区域有防火设施。
  (6)微量切削时,切下的钛屑一旦起火,可用干粉灭火剂或干土、干砂扑灭。
  5 结束语
  与其他大多数金属材料相比,钛合金加工不仅要求更高,而且限制更多。但是,如果正确使用适当的刀具,并按照其加工要求将机床和配置优化到最佳状态,同样可以获得令人满意的钛合金加工效果。

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