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钛合金的切削加工现状及高效切削策略

发布日期:2018-10-08  浏览次数:48
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  摘要: 在阐述钛合金材料切削加工特点的基础上,进一步就其难加工性及影响合金切削加工的关键因素进行了分析,论述了高速切削机理和加工特点,并着重就高速切削钛合金的可行性,切削速度范围及刀具等进行了探索研究 。
  关键词: 钛合金高速切削刀具
  钛合金由于其比重小、热强度高、热稳定性和抗腐蚀性好等特性,被广泛用于航空 、航天、原子能和化学工业中,但该材料切削加工困难,一直以来解决钛合金加工效率低,表面质量差的技术难题。随着先进制造技术愈来愈广泛地应用于制造业,高速切削技术应用于钛合金的切削加工显现出了明显的优越性。
  1、钛合金的切削加工性
  (1)切削温度高,属于难加工材料之一。
  (2)钛合金在600℃以上时,与气体发生剧烈的化学反应。钛与氧、氮产生间隙固熔体,对刀具有强烈的磨损作用。
  (3)钛合金的塑性比较低,切屑与前刀面的接触长度很小,使前刀面上应力增大,刀刃容易发生破损。
  (4)钛合金的弹性模量低,弹性变形大,加工表面与后刀面的接触面积特别大,摩擦也非常严重。
  (5)粘刀现象严重。钛的亲和性强,切削过程中,钛屑及被切表层与刀具材料咬合,产生严重的粘刀现象,容易引起刀具强烈的粘结磨损。
  (6)表层硬化严重。加工钛合金时除了塑性变性产生的表层硬化外,由于钛元素化学活性大易形成污染层而导致表层硬化 。
  2、钛合金的高速切削加工
  钛合金化学亲和力大,导热性差且强度高,使切削温度大幅提高 、刀具磨损加剧 ,用传统的加工方法难以加工,钛合金加工的高成本是阻碍其广泛使用的主要原因,寻求一种高效率、低成本的加工方法已成为当今钛合金研究的热点。迄今已经有了一些方法,如热处理、加热切削、向切削区引入超声波及振动等,但这些方法普遍存在着效率低,成本高且加工质量难保证等弊端。这里介绍适宜于钛合金加工的可大幅提高生产效率及加工质量的先进制造工艺技术——高速切削加工。
  2.1高速切削特点及适用范围
  高速切削加工在切削原理上是对传统切削认识的突破,在切削机理上与常规切削不一样,高速切削有其自身的特点及适用范围。
  (1)工件温升小,减小工件热变形:高速切削中,产生的热量虽多,但由于切屑从工件上切离的速度快 90%以上的切削热被切切屑带走,传给工件的热量很小,工件积累热量极少,因而切削时工件温度的上升不会超过3℃[6-7]。
  (2)切削力低:由于切削速度高,使剪切变形区变窄,剪切角增大,变形系数减小和切屑流出速度快,从而可使切削变形减小,切削力降低,比常规切削力低30%~90%,刀具耐用度提高 70%。
  (3)材料切除率高 加工表面质量高:高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高 5~10倍。 这样单位时间内材料的切除率可提高 3~5倍。另外,随着切削速度的提高,切屑可以被很快切离工件,故残留在表面上的应力很小,由于切削点温度的升高,工件表面鳞刺的高度会显著降低,甚至完全消失。
  2.2 高速切削钛合金与刀具选择
  高速切削钛合金是在高应变率响应的作用下,改善其加工性能,从而得到高的加工质量 。高速切削钛合金的速度一般控制在 100~400m/min范围。高速切削钛合金的关键技术除了切削速度外,还有刀具、主轴单元及进给单元制造技术,机床支承及辅助单元制造技术,加工测试技术等诸多因素。本文主要就高速切削钛合金过程中对刀具耐用度,加工效率和加工质量等影响极大的刀具材料重点阐述,以寻求刀具与钛合金的最佳匹配(如表1)
  高速切削的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍,因此,对刀具材料提出了更高的要求,主要要求刀具应具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。目前国内外用于超高速切削的刀具材料主要有,涂层硬质合金、TiC(N)基硬质合金、陶瓷刀、聚晶金刚石、PCD和立方氮化硼等。
  (1)涂层硬质合金刀具——涂层刀具是在韧性较好的刀体上涂履一层或多层耐磨性好的难熔化合物,使刀具既有高的韧性,又有很高的硬度和耐磨性,涂层刀具的寿命比未涂层刀具要高2~5倍。
  (2)聚晶金刚石刀具——天然金刚石刀具因性质较脆,容易沿晶体的理体面破裂,导致大块崩刃。很多场合下已被聚晶金刚石PCD代替PCD是以石墨为原料加入催化剂,经高温高压烧结而成,具有很好的导热性和耐磨性及高的硬度。
  (3)聚晶立方氮化硼刀具(PCB)——PCB刀具既具有CBN的优点,也较CBN易制造。PCB具有很高的热稳定性,可承受1200℃以上的切削温度,且具有很高的硬度和很高的耐磨性。
  按照钛合金材料自身的加工特性,要求刀具材料应具有抗变强度高、硬度高、韧性好、热硬性好耐磨性好及散热性好等性能。除上述外,由于含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲合,所以决不能用含钛的刀具材料。
  3、结语
  钛合金因其优良的性能在航空航天工业的使用比例逐年增加,但受切削加工成本高和加工效率低的影响,目前应用仍然受到较大限制,采用高速切削加工钛合金材料,解决了常规切削钛合金的难题,既保证了加工质量又大幅度提高了生产率,具有良好发展前景。高速切削技术用于难加工材料的加工正在逐渐成熟。如何进一步完善高速切削钛合金的加工技术,是有待进一步研究的课题。
  参考文献
  [1]蒋骏等编著.钛合金零件制造技术[M].北京:国防工业出版社,1991,4:20-50.
  [2]杨冠军,钛合金研究和加工技术的新进展[J].钛工业进展,2001,18(3):1-5.
  [3]张哲,浅谈钛合金的车削加工特性分析[J].中国高新技术企业.
  [4]张广文,曾庆良,陈玉良.绿色切削加工技术的研究[J].轻工机械,2004(2):55-58.
  [5]贾春德,姜增辉.车铣原理.北京,国防工业出版社,2003.

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