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简述钛合金材料的机械加工工艺

发布日期:2018-09-13  浏览次数:74
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  【摘 要钛合金材料具有抗蚀性能好、力学性能佳、强度高、质量轻等优点,因此被广泛应用,但合金材料也具有硬度高、塑性低、导热系数低、弹性模量低等缺点,所以钛合金材料的切削加工性能较差。为此,本文就钛合金材料的机械加工工艺进行介绍。
  【关键词】 钛合金材料 机械加工 切削加工
  1.引言
  钛合金材料具有诸多优缺点,而其缺点包括硬度高、塑性低、导热系数低、弹性变形大、弹性模量低等。因此,钛合金加工过程,导热系数小定会使材料的切削温度过高;比热小定会使材料的局部温升过快,进而降低刀具的使用寿命;弹性模量低定会加剧材料表面的加工回弹,进而导致刀具磨损或者崩刃;高温环境里,化学活性强定会加剧其与氮、氢、氧间的化学作用,进而增加机械加工的难度。此外,钛合金加工过程,切削条件、刀具材料、切削加工时间均会对切削加工的综合效率造成影响,因此钛合金材料切削加工过程,必须对相关方面进行严格控制。
  2.钛合金材料的机械加工工艺
  钛合金材料的机械加工工艺种类繁多,比如电火花加工、铣削、车削、磨削、钻削、攻丝等。钛合金材料的机械加工过程,刀具材料、切削液、加工工艺参数、刀具几何参数均属重要的影响因素,因此必须予以高度重视。
  (1)切削液。钛合金材料的切削加工过程,切削液的使用既能降低刀刃的热量,也能冲走切屑,进而实现切削力的降低,可见切削液的使用必须合理,如此方能实现零件加工表面质量以及生产效率的改善。目前,常用的切削液包括非水溶性油质溶液、水基可溶性油质溶液、水或碱性水溶液三种。(2)刀具材料。由前文可知,钛合金材料具有硬度高、塑性低、导热系数低的缺点,因此加工过程势必表现出切削温度高、切削力度大的特点,进而加剧刀具的磨损以及降低刀具的使用寿命,可见所选刀具材料必须具有耐磨性高、硬性强的特点。目前,常用的刀具材料包括高速钢牌号、硬质合金牌号、涂层刀具(抗粘结性能强、抗氧化性能强、耐磨性好等)、立方氮化硼刀具(热硬性高、硬度高等)、聚晶金刚石刀具(硬度高、耐磨性高、导热性高、摩擦系数低等)五种。(3)刀具的几何参数。钛合金材料的粗加工过程,尽量选用前/后角小、刚性高的刀具,比如钛合金TC4的粗加工,前角取0~3°。钛合金材料的精加工过程,尽量选用刀刃较锋利、刀齿较密、前/后角以及螺旋角偏大、刀刃负倒棱小或者无倒棱的刀具,比如钛合金TC4的精加工,前角取8~15°。若选用镗刀或者圆车刀加工钛合金,前/后角分别取10~15°、8~14°,刀尖圆弧半径取0.2~0.6mm;若选用螺纹车刀,前/后角分别取0°、10°;若选用成型车刀,前/后角分别取5°、10°。钻头的设计必须满足排屑流畅性的要求,即螺旋角取25~30°、就钻头螺旋槽进行抛光处理、钻芯厚度取1/4钻头直径;根据实情就横刃进行修磨,以确保钻头的强度以及定心作用更好,此外钻头顶角取135~140°、钻头后角取12~15°,以增加切削的宽度以及厚度。铣刀的设计必须满足钛合金的切削要求。就立铣刀而言,前/后角分别取6~8°、6~12°,螺旋角取35~40°(前段取3°),而刀尖圆弧半径取0.5~0.6mm。攻丝的切削环境往往保持着半封闭状态,因此切削液顺利流至切削区的难度较大,且润滑以及散热效果较差,外加钛合金仅有较小的弹性模量,如此极易引起丝锥扭断或者崩齿。针对该情况,优化攻丝的几何参数尤其重要,即切削锥部分后角取6~12°,前角取7~10°,切削锥角取5~7°30′,校正齿型面铲后角取1°。铰刀的设计必须符合钛合金弹性模量较小的特性,即铰刀的前/后角分别取3~5°、10°,切削刃宽度取0.15mm。(4)钛合金材料的切削加工工艺参数。针对断续切削以及连续切削的情况,车削的工艺参数详见表1、表2。
  钛合金钻削加工过程,时常会出现断钻以及烧刀现象,而此现象的成因包括钻头刃磨欠佳、冷却不佳、排屑不及时、工艺系统刚性差等。针对上述情况,必须对下列方面进行严格控制:一是勤退刀以及及时清除切屑,同时对切屑的颜色以及形状进行跟踪观察;二是加足切屑液;三是把钻模与工作台固定起来,同时钻模引导与加工表面应尽量贴近,以缩短钻头;四是手动进给过程,孔内钻头应前后运动,以免因钻刃摩擦加工表面而造成钻头变钝。铣削要求进行断续切削,因此铣削过程时常出现铣刀崩刃、切削与刀齿粘结等现象,而粘结严重者甚至会损伤刀齿或者引起崩刃。针对此情况,最好采取顺铣的切削方法,因为顺铣切削较平稳,且刀齿切削路径较短,同时从厚至薄的切削顺序能够有效控制切削粘结现象的出现,如此既能控制铣刀的磨损量,又能增强刀具的耐用度以及降低加工表面的粗糙度。切削锥角尽量大些,而锥度部分取3~4扣螺纹长度为宜。此外,切削锥部分应尽量磨出负倾角,以方便排屑;尽可能使用短丝锥,由此实现丝锥刚性的增加;丝锥的倒锥部分尽量大些(较标准值),由此控制工件与丝锥间的摩擦。钛合金磨削时常因粘屑问题而导致零件表面烧伤或者砂轮堵塞,因为钛合金导热性较差,定会加剧磨削区的温升,进而引起钛合金与磨料粘结或者发生化学反应,如此知道烧伤工件的加工面以及降低零件的疲劳强度。针对上述情况,常见的控制方法为优化磨削的工艺参数,比如:砂轮材料――绿碳化硅TL;砂轮硬度――ZRI;砂轮速度――10~20m/s;砂轮粒度――60,此外进给量尽量控制到较低水平,同时用乳化液进行完全冷却。就钛合金的攻丝而言,应优选跳牙丝锥,注意齿数取2~3齿。
  3.结语
  综上所述,钛合金材料具有诸多优缺点,而其缺点严重影响着钛合金材料的切削加工,因此钛合金材料的切削加工过程,必须充分考虑到可能的影响因素以及必须满足的特性要求,尤其应从刀具材料、切削液、加工工艺参数、刀具几何参数方面对钛合金材料的切削加工进行控制,以提高钛合金材料加工的综合效率。
  参考文献:
  [1]李富长,宋祖铭,杨典军.钛合金加工工艺技术研究[J].新技术新工艺,2010(5).
  [2]周宇.新型医用钛合金的制备、热机械加工工艺及表面生物活化研究[D].2010.
  [3]王国彪.钛合金壳体件数控加工工艺研究[J].现代制造技术与装备,2012(2).

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