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航天航空產(chǎn)品中鈦合金的銑削加工技術(shù)

  鈦及鈦合金因密度小、比強(qiáng)度高课蔬、耐腐蝕弛说、耐高溫、無磁艾恼、焊接性能好等優(yōu)異綜合性能候妻,在航空航天等領(lǐng)域得到越來越廣泛應(yīng)用。但是执摆,鈦合金的一些物理力學(xué)性能給切削加工帶來了許多困難柒拌。切削時(shí)鈦合金變形系數(shù)小、刀尖應(yīng)力大缅叔、切削溫度高脉裕、化學(xué)活性高、粘結(jié)磨損及擴(kuò)散磨損較突出趟蛋、彈性恢復(fù)大邪船、化學(xué)親合性高等特點(diǎn),因此在切削加工過程中容易產(chǎn)生粘刀同嚷、剝落 羔峭、咬合等現(xiàn)象,刀具溫度迅速升高甫知,導(dǎo)致刀具磨損缅钠,甚至完全破壞。  

  正因?yàn)殁伜辖鹁哂斜葟?qiáng)度高熬甫、耐腐蝕性好胰挑、耐高溫等優(yōu)點(diǎn),從20世紀(jì)50年代開始罗珍,鈦合金在航空航天領(lǐng)域中得到了迅速的發(fā)展洽腺。鈦合金是當(dāng)代飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一,可以減輕飛機(jī)的重量覆旱,提高結(jié)構(gòu)效率蘸朋。在飛機(jī)用材中鈦的比例,客機(jī)波音777為7%扣唱,運(yùn)輸機(jī)C-74為10.3%藕坯,戰(zhàn)斗機(jī)F-4為8%。但是由于鈦合金價(jià)格高噪沙,耐磨性差等原因炼彪,限制了其使用領(lǐng)域≌撸  

  近幾十年以來辐马,國內(nèi)外針對航天航空應(yīng)用所研究的鈦合金等均取得了很大進(jìn)步,許多合金也得到廣泛應(yīng)用脖耽。本文針對航天航空產(chǎn)品中鈦合金銑削加工技術(shù)進(jìn)行論述蔚芥,供同行們參考。   

  1.鈦合金簡介

  鈦是同素異構(gòu)體京多,熔點(diǎn)為1 720℃秤皿,在低于882℃時(shí)呈密排六方晶格結(jié)構(gòu),稱為α 鈦痛慷;在882℃以上呈體心立方品格結(jié)構(gòu)办溶,稱為β 鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)樱炬,添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪乜僖酰蛊湎嘧儨囟燃跋喾趾恐饾u改變而得到不同組織的鈦合金。室溫下择绘,鈦合金有三種基體組織毛彼,鈦合金也就分為以下三類:

  (1)α 鈦合金 它是α 相固溶體組成的單相合金异凹,不論是在一般溫度下還是在較高的實(shí)際應(yīng)用溫度下,均是α 相兜畸,組織穩(wěn)定努释,耐磨性高于純鈦,抗氧化能力強(qiáng)。在500~600℃的溫度下伐蒂,仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能煞躬,但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,室溫強(qiáng)度不高逸邦。

 《髋妗(2)β鈦合金 它是β相固溶體組成的單相合金,未熱處理即具有較高的強(qiáng)度缕减,淬火雷客、時(shí)效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化,室溫強(qiáng)度可達(dá)1 372~1 666MPa桥狡;但熱穩(wěn)定性較差搅裙,不宜在高溫下使用。

 」ァ(3)α +β 鈦合金 它是雙相合金部逮,具有良好的綜合性能,組織穩(wěn)定性好臀匹,有良好的韌性讲幌、塑性和高溫變形性能,能較好地進(jìn)行熱壓力加工挠站,能進(jìn)行淬火仙涡、時(shí)效使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50%~100%押棋;高溫強(qiáng)度高余源,可在400~500℃的溫度下長期工作,其熱穩(wěn)定性次于α 鈦合金范益。

  三種鈦合金中最常用的是α 鈦合金和α +β 鈦合金天枣;α 鈦合金的切削加工性最好,α +β 鈦合金次之虫犀,β 鈦合金最差袖指。α 鈦合金代號(hào)為TA,β 鈦合金代號(hào)為TB证莺,α +β 鈦合金代號(hào)為TC熟什。

  2.鈦合金銑削加工時(shí)切屑的形成

  由于鈦合金工件材料有不同的種類,各種材料的切削加工性不同猜旬,切削條件不同脆栋,切削變形的程度也就不同,因而所產(chǎn)生的切屑形態(tài)也就多種多樣洒擦。歸納起來椿争,可分為以下四種類型:帶狀切屑怕膛、節(jié)狀切屑(鋸齒狀切屑)、粒狀切屑及崩碎切屑秦踪。鋸齒狀切屑可導(dǎo)致切削力高頻率地周期變化波動(dòng)褐捻,而且會(huì)增加刀具磨損速率,降低加工表面質(zhì)量椅邓,甚至?xí)档土慵募庸ぞ饶眩虼饲行嫉男纬蓹C(jī)理研究是有助于加工中其他現(xiàn)象的研究和解釋的。

 【澳佟(1)切削速度對切屑形成的影響 有研究表明板壮,對于低導(dǎo)熱性和高加工特性的鈦合金可以在1.5~4 800m/min很寬的切削速度范圍內(nèi)形成鋸齒狀切屑,隨著速度的增加裁僧,鋸齒化程度加重短琴,直至成分離的單元切屑。

  在銑削加工中智榆,切削參數(shù)中切削速度對于切屑形態(tài)具有最重要的影響膏般。切削速度對形成鋸齒狀切屑的作用,一方面是隨著切削速度的提高档低,應(yīng)變速度加大娜珍,導(dǎo)致脆性增加,易于形成鋸齒狀切屑梭甸;另一方面踏拓,切削速度的提高,引起切屑溫度的增加蜜雏,致使脆性減少韩烹。因此,提高切削速度對于鋸齒狀切屑的形成是綜合作用的結(jié)果孝摘。對于鋸齒狀切屑的形成機(jī)理酿势,現(xiàn)有絕熱剪切理論(Adiabatic shear theory)和周期性脆性斷裂理論(Periodic brittle fracture)兩大理論體系。

 ∑尥(2)剪切角對切屑變形的影響 剪切角φ 和切削變形有十分密切的關(guān)系互艾。φ 若減小,切屑便變厚變短讯泣,變形系數(shù)便增大纫普;相反φ 若增大,切屑便變薄變長好渠,變形系數(shù)就會(huì)減小昨稼。切削開始時(shí),隨著切削速度的增加拳锚,摩擦系數(shù)β 增加假栓,剪切角φ 減小肴茄,切屑增加;但是在高速切削范圍但指,隨著切削速度的提高,摩擦系數(shù)β 減小抗楔,剪切角φ 增大棋凳,切削力降低。在銑削加工過程中连躏,剪切過程朵椿。

  (3)鈦合金切屑的變形系數(shù) 切屑變形系數(shù)是切削層長度與切屑長度的比值怠义,反映切削過程的塑性變形程度俭宁。一般來說變形系數(shù)越大塑性變形越大,鈦合金的變形系數(shù)近似為1陷母,甚至小于1贷营,其原因就是鈦合金切削過程中變形不均勻,集中剪切變形生成節(jié)狀切屑尿欲,切屑成鋸齒狀造成的诬粗。切屑變形系數(shù)公式為式中,為切屑厚度的平均值溜舷;為切屑厚度扯凫。  

  從上式可以看出變形系數(shù)對于鈦合金切屑來說不能真實(shí)反映切削過程中塑性變形的情況开摄,主要是由于鈦合金切削過程中變形不均勻售拼,集中剪切變形生成鋸齒狀切屑造成的。在銑削加工中邦马,變形系數(shù)隨切削速度變化情況贱鼻。

  3.銑削中銑刀的磨損原因和機(jī)理

  在鈦合金的機(jī)械加工過程中,鈦合金的銑削比較困難勇婴,主要問題是切削區(qū)域容易與鈦發(fā)生粘結(jié)忱嘹,刀齒易崩刃,刀具壽命低耕渴。在加工時(shí)拘悦,銑刀是進(jìn)行間斷加工,銑刀的每個(gè)刀齒在銑削一轉(zhuǎn)中只有一段作銑削工作橱脸,而其余的過程中切屑都粘附在刀齒上础米。另外, 切削鈦合金時(shí)添诉,銑削工作區(qū)的溫度高達(dá)1 200℃以上屁桑, 切削力又大医寿,而且切屑和刀具前面接觸面積較小,高溫集中在一個(gè)很小的面積上蘑斧,這樣就容易使刀具磨損靖秩。切削鈦合金時(shí),刀具磨損主要都是在高溫?zé)嵝?yīng)作用下而產(chǎn)生的磨損堡喳。銑床大多使用高速鋼刀具件父,由于其切削溫度比高速鋼和鈦合金的粘結(jié)溫度要低,因而采用高速鋼刀具進(jìn)行切削祸播,粘附磨損不是刀具的主要磨損原因夹它,主要磨損原因是高溫?zé)嵝?yīng)作用下,高速鋼刀具材料迅速軟化遭唠,失去硬度和強(qiáng)度而引起恢儡,當(dāng)切削速度較低時(shí),切削溫度不高就可以解決高速鋼軟化問題颊姻。而對硬質(zhì)合金來講组莲,磨損主要是粘結(jié)溫度所引起的粘附磨損。

  銑削加工是不連續(xù)的切削過程嫩碘,斷續(xù)切削時(shí)除了沖擊負(fù)荷的作用影響刀具的壽命外迂擅,還有粘附剝脫磨損,嚴(yán)重影響刀具的壽命臊啃。

  以逆銑為例症丁,切削過程中產(chǎn)生的切屑粘在刀齒前面上,在高的切削熱作用下旋圆,粘在刀齒上的切屑變軟宠默,其硬度也不大。但是當(dāng)銑刀齒切出工件表面后刀齒不工作灵巧, 一經(jīng)冷卻搀矫,粘在刀齒上受熱軟化了的切屑也就冷卻下來,于是又恢復(fù)原來的強(qiáng)度刻肄。當(dāng)下一次(第二轉(zhuǎn))這個(gè)刀齒在切入工件時(shí)瓤球,這個(gè)強(qiáng)度很高的粘在刀齒上的切屑就被硬磁碰掉。在它被碰掉時(shí)敏弃,就會(huì)因與刀齒粘附得很緊而奪取刀具工作面上的金屬分子質(zhì)點(diǎn)(特別是硬質(zhì)合金刀具)卦羡,引起刀具工作表面的“剝脫磨損”,甚至引起“崩刀”麦到,使刀具迅速破壞绿饵。如果沒有崩刀,刀刃還有瓶颠,但是刀具前角面由于被切屑粘掉一部分拟赊,造成粗糙不平椭吠,當(dāng)這帶有粗糙不平的表面第二次切入工件時(shí),就會(huì)使切屑在工作面上流動(dòng)困難蹲瘩,產(chǎn)生“停滯”炬锦、“集屑”現(xiàn)象,長成刀瘤架揉。無法進(jìn)行下一次切削纤秃。所以在斷續(xù)切削時(shí)容易產(chǎn)生“刀瘤”,而在連續(xù)切削時(shí)則不容易出現(xiàn)刀瘤吕迁,在銑削鈦合金時(shí)為了減少刀具這種剝脫磨損及崩刀、集瘤等現(xiàn)象可以采用順銑的方法加以改善傲钳。

  當(dāng)采用順銑時(shí)肿圾,切削的深度由大變小,切屑由厚變薄棺昵,且總是薄的一邊最后離開刀齒簇戳,切屑容易折斷,而且慣性力往往使切屑在冷卻之前就和刀齒脫離销贝,因而切屑由于粘附而奪取刀齒工作面的分子就少樊展,刀具壽命自然就會(huì)提高了,根據(jù)我們的加工經(jīng)驗(yàn)堆生,順銑比逆銑刀具壽命要提高1倍多专缠。另外可以采用不對稱的立銑方法加工鈦合金,刀具壽命可提高2~3倍淑仆。

  4.鈦合金銑削加工刀具材料選用及切削用量的選取

  切削加工鈦合金的刀具材料涝婉,要求抗變強(qiáng)度高、 硬度高蔗怠、韌性好墩弯、熱硬性好、耐磨性好寞射,還要散熱好渔工,決不能用含鈦的刀具材料,因?yàn)楹伒牡毒卟牧显诟邷叵潞苋菀着c鈦合金親和桥温,加劇刀具磨損引矩。切削刀具要求刀面表面光潔,刃口鋒利策治。對多刃刀具脓魏,應(yīng)控制切削刃的跳動(dòng)量,常用切削鈦合金的刀具材料肄埠。

  切削鈦合金時(shí)妄舅,切削溫度高知狂、刀具壽命低,切削用量中切削速度對切削溫度的影響最大和绳,因此應(yīng)力求使所選擇的切削速度下產(chǎn)生的切削溫度接近最佳范圍啰痒。高速鋼刀具切削鈦合金時(shí)的最佳切削溫度約為480~540℃,硬質(zhì)合金刀具約為650~750℃挺教。切削鈦合金一般采用較低的切削速度锥拖、較大的切削深度和進(jìn)給量。

 ⊙旨 (1)切削速度 切削速度對刀具壽命影響最大昌漏,最好能使刀具在相對磨損最小的最佳切削速度下工作。切削不同牌號(hào)的鈦合金将遮,由于強(qiáng)度差別較大布筷,切削速度應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。切削深度對切削速度也有一定影響近弟,應(yīng)根據(jù)不同的切削深度來確定切削速度的大小缅糟,核正系數(shù)。

 〉挥洹(2)進(jìn)給量f  進(jìn)給量對刀具的耐用度影響較小窗宦,在保證加工表面粗糙度的條件下,可選較大的進(jìn)給量二鳄,一般取f =0.1~0.3mm/r赴涵。進(jìn)給量太小,使刀具在硬化層內(nèi)切削订讼,增加刀具磨損句占,同時(shí)極薄的切屑在高的切削溫度下容易自燃,因此不允許f <0.05 mm/r躯嫉。

 ∩春妗(3)切削深度  切削深度對刀具壽命的影響最小,一般選用較大的切削深度祈餐,這樣不僅可以避免刀尖在硬化層內(nèi)切削擂啥,減小刀具磨損,還可增加刀刃工作長度萤翔,有利于散熱俺乓,一般取。


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