鈦合金薄壁件車削加工的研究
關鍵詞 鈦合金|2007-11-15 00:00:00|技術信息|來源 中國超硬材料網
摘要 摘要：傳統的鈦合金車削加工因其切削速度低，刀具耐用度低，加工質量難于控制，導致加工效率低。經多次鈦合金車削加工試驗、優(yōu)選了刀具材料，確定了刀具幾何參數，依據刀具磨損情況，提供了較為...
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摘要：傳統的鈦合金車削加工因其切削速度低，刀具耐用度低，加工質量難于控制，導致加工效率低。經多次鈦合金車削加工試驗、優(yōu)選了刀具材料，確定了刀具幾何參數，依據刀具磨損情況，提供了較為合理的切削數據。解決了鈦合金薄壁件加工變形問題。 |
某航空發(fā)動機易損件圖(略) ，最小壁厚為2mm，總長400mm，是一個典型長薄壁件。技術要求較高，孔徑公差為0.046，外圓公差為0.03，表面粗糙度Ra為1.6。為保證壁厚差，孔與外圓必須同軸，加工難度較大。材料從俄羅斯進口，牌號為BT20，屈服強度和抗拉強度sb=90～110kg/mm2，比TC4難加工。磨削鈦合金易阻塞砂輪，燒傷已加工表面，因此只能采用車削，以車代磨。
表1 切削鈦合金選用的刀具材料
|
牌號 |
ISO |
HRA |
sbb |
|
YG3X |
K01 |
91.5 |
110 |
|
YG6A |
K10 |
92 |
140 |
|
YG6X |
K10 |
91 |
140 |
|
YG8 |
K30 |
89 |
150 |
|
YG8W |
K25 |
92 |
200 |
|
YG813 |
K20 |
91 |
160 |
|
YG643 |
K05 |
93 |
150 |
|
YG10HT |
K30 |
92 |
220 |
|
YL10.2 |
K35 |
HV1600 |
220 |
|
YS2T |
K30 |
91.5 |
180 |
|
YD15 |
K01 |
91.5 |
170 |
|
Y310 |
K05 |
92 |
125 |
|
Y320 |
K20 |
91.5 |
180 |
|
Y330 |
K30 |
90.3 |
200 |
|
YM051 |
K10 |
92.5 |
162 |
1 刀具材料及幾何參數的選擇
鈦合金導熱性能很差，為45號鋼的1/6～1/7。選擇刀具材料時，要考慮刀具材料的導熱性能，YG類優(yōu)于YT類。切削鈦合金產生單元切屑，變形系數近似為1，刀屑接觸長度很短，切削力集中于刃口附近，單位切削力大，易崩刃。要求刀具材料韌性要好，sbb>150kg/mm2，鈦合金化學性能活波，易與空氣中的氧和氮產生硬脆化合物，加快刀具磨損；鈦與刀具中的元素易親合，加工鈦合金使用的刀具材料要少鈦或無鈦元素。優(yōu)選YG類硬質合金，不是用YT類硬質合金。切削鈦合金使用的刀具材料件見表1。
鈦合金彈性模量小，為45鋼的1/2，加工變形大。刀具后角要大些，取a0=15°～18°，減少加工表面與后刀面間的摩擦。前角也要選大些g0=10°，刀具鋒利，減小加工變形，降低加工硬化，提高已加工表面質量。主偏角kr=90°降低徑向力，防止振動。刀尖圓弧半徑決定刀尖強度、散熱及磨損，不易過大，re=1～2mm合適。切削鈦合金，刀具必須鋒利，鈍刀不能進行切削。刀具鈍圓半徑必須小，也就是選用細晶粒材料，才能使鈍圓半徑降低。同時，使刀具材料硬度提高，而韌性不下降。提高刀具刃磨質量，用金剛石、立方氮化硼砂輪磨刀。前后刀面粗糙度Ra≤0.1µm，降低切屑與前刀面。工件與后刀面間的摩擦。刃口要平直，無鋸齒，減輕崩刃磨損。
2 切削用量
粗車鈦合金目的是去除大的余量，應保證較大的刀具耐用度。VB=0.4mm，切削速度不高，一般V≤35m/min，刀具耐用度T=60min，切削刃度ap≤4mm，走刀量f≤0.24mm/r，且加大流量溶液冷卻。精車鈦合金目的是保證尺寸精度和表面質量，一般ap≤1mm，磨鈍標準VB=0.2mm，盡量采用高的切削速度和必要的刀具耐用度，切削速度35m/min≤V≤140m/min，刀具耐用度T=30min。用機油冷卻潤滑，降低刀屑間的摩擦系數，提高已加工表面質量。車削用量如表2所示。
表2 切削參數
|
NO |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
|
V(m/min) |
13.2 |
14 |
21.1 |
23.3 |
30 |
31.7 |
35 |
37.7 |
40 |
45.2 |
45.8 |
50.2 |
69.9 |
70.7 |
76.4 |
89.4 |
111.8 |
127.2 |
130.2 |
141.3 |
|
f (mm/r) |
0.24 |
0.24 |
0.24 |
0.24 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
0.16 |
0.12 |
0.16 |
0.1 |
0.2 |
0.13 |
0.13 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
|
ap (mm) |
3 |
3 |
3 |
3 |
2.5 |
2.5 |
2.5 |
2.5 |
1.5 |
1 |
1 |
1 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
0.3 |
0.3 |
0.3 |
0.3 |
3 刀具磨損原因及刀具耐用度
加工鈦合金，刀具磨損發(fā)生在后刀面和刀尖處。鈦合金彈性模量小，切削時回彈大，后刀面與加工表面接觸面積大，加速了摩擦。顯微鏡下可看到犁溝。刀尖處散熱條件差，溫度較高，磨損嚴重。尤其是精車時，后刀面磨損量沒有達到磨鈍標準時，因刀尖磨損過快，使刀具喪失切削性能。前刀面看不到明顯磨損痕跡，原因是刀屑接觸長度短，磨損的主要形式是崩刃和微崩刃。顯微鏡下可看到鋸齒形刀刃。加工鈦合金粘刀現象十分嚴重。無論是高速切削還是低速切削都有粘刀問題。干切削更為明顯。
粘結磨損是加工鈦合金的主要磨損原因。當切削速度較高時，切削溫度達600℃以上時，擴散磨損占的比例較大?？諝庵械难醯c鈦合金反應生成硬脆化合物加劇了刀具的磨料磨損。因此加工鈦合金刀具磨鈍標準定得較低，刀具耐用度較低，而切削速度還是比較低的。具體數值見表3。
表3 刀具耐用度與切削速度
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VB(mm) |
V(m/min) |
T(m/min) |
|
0.2 |
50～140 |
30 |
|
0.3 |
35～50 |
60 |
|
0.5 |
20～35 |
90 |
|
0.6 |
>20 |
120 |
|
YG類g0=10°，a0=18°，干切削，濕切削時，T加倍 |
4 零件加工工藝及表面質量
使用的車床功率要大，主軸回轉精度要高，進給機構無爬行。刀桿剛度足夠。零件裝夾要牢固。例如：車Ø74外圓時，中部用中心架支撐，提高了裝夾剛度，降低了長徑比。加工順序為：先加工Ø65里孔，后加工Ø74外圓及空刀處。里孔可用單刃鏜刀切削，讓刀量大。改用浮動鏜刀效果較好，里孔達到尺寸精度后，用卡盤與頂尖裝夾車外圓，孔中放置減震材料。刀具必須鋒利。一旦振動，立即換刀車去振源。用塑料脹胎夾具加工外圓效果較好。鏜孔速度不易過高，V=20m/min較好。控制回彈量。最小切削深度0.05mm。當ap太小時不能形成連續(xù)切屑，容易產生振動。夾持剛度較好時，車外圓ap=0.01可行成連續(xù)切屑。切削鈦合金只要不振動，表面粗糙度Ra1.6µm是可以達到的。刀具鋒利，表面質量也較好。
使用鋒利的硬質合金車刀切削鈦合金，加大流量潤滑液冷卻潤滑。切削速度V≥100m/min時，車外圓表面粗糙度可達Ra0.8µm，已加工表面硬化較輕，殘余應力較小。比較高的尺寸輕度容易獲得。ap=0.005mm時，可形成連續(xù)柔軟的切屑，達到磨削的尺寸精度和粗糙度。鏜孔有一定的難度，主要原因是：機床、夾具、工件和刀具組成的工藝系統剛度不足。一旦振動，孔壁質量立即下降。粗糙度Ra1.6µm還是容易達到的。
5 結論
鈦合金薄壁件車削加工比銑削容易些。車削為連續(xù)切削，沒有沖擊。切屑為單元切屑，不存在斷屑難的問題。鈦合金彈性模量小，屈強比大；切削時彈讓大，需變形能大。選擇刀具材料硬度要高，韌性要好，sbb≥200kg/mm2，且不含TiC。刃口要鋒利，后角要大，鈍圓半徑要小。避免使用鈍刀切削。鈦合金既硬又韌，導熱又差；粗車時，保證必要的刀具耐用度，確定切削速度；精車時，為完成以車代磨，盡量采用高速切削；可降低表面粗糙度，減輕已加工表面加工硬化和殘余應力。提高機床、夾具、工件和刀具組成的工藝系統剛度，可解決鈦合金薄壁件車削加工變形問題。
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