鈦合金高效鉆削的實(shí)現(xiàn)途徑分析與探索

安天恒

摘 要：目前我國鈦合金加工速度低，使用的切削液對環(huán)境污染破壞大，與當(dāng)前高速＼綠色環(huán)保的切削加工趨勢相違背.寶雞作為中國鈦谷，鈦產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)力在同行業(yè)舉足輕重.尋求高效經(jīng)濟(jì)的加工方式與工藝改進(jìn)，建立行業(yè)刀具修磨中心，依據(jù)刀具應(yīng)用的復(fù)雜性，根據(jù)刀具失效形式及時修整修磨刀具，跟蹤刀具使用效果，累積數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，勢必可以取得好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：鈦合金；鉆削；效率

1 引言

由于鈦合金具有比重小（密度是4.4kg/m3）、比強(qiáng)度與熱強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，可以顯著減輕產(chǎn)品重量，提高推重比、結(jié)構(gòu)的抗熱能力和可靠性，所以在航空、航天、石油、化工、軍工等部門得到廣泛應(yīng)用。但是其性價比較差，特別是孔加工的效率很低，這在很大程度上制約著鈦合金產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 鈦合金簡介

鈦合金是利用鈦在不同溫度下形成的兩種不同組織結(jié)構(gòu)，加入不同種類數(shù)量的元素，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到的。隨著添加其他合金元素的種類，數(shù)量不同，相變、溫度及相分含量也逐漸改變，從而得到不同的鈦合金，室溫下可分為α、（α+β）、β型三種基本組織。[1]

2.1 影響鈦合金切削加工性的因素

鈦合金屬難加工材料。鈦合金的切屑加工性比奧氏體不銹鋼差，退火或固熔處理的鈦合金切削加工性低于高溫合金，而經(jīng)過時效處理后的鈦合金切削加工性和高溫合金差不多。導(dǎo)致鈦合金切削加工性較差的原因主要有以下幾個[1]：

（1）導(dǎo)熱、導(dǎo)溫系數(shù)小，切削溫度高。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)平均是工業(yè)純鈦的一半，導(dǎo)溫系數(shù)分別為鐵和鋁的1/4和1/16。因此在相同的切削條件下，鈦合金的切削溫度比45鋼高1倍以上。

（2）切削變形系數(shù)小，單位面積上的切削力大。鈦合金的切削變形系數(shù)小于1或接近1，鈦合金切屑被主切削刃切離后，立即向上翻卷，使切屑與刀具前刀面接觸減小，刀具單位面積上所承受的壓力要比一般鋼材大得多，導(dǎo)致切屑溫度急劇上升。

（3）化學(xué)活性大。鈦合金在300℃以上非常容易與刀具材料“親和”，易產(chǎn)生表面變質(zhì)污染層，導(dǎo)致表層硬度和脆性上升，易使刀具產(chǎn)生缺口、崩刃、剝落等現(xiàn)象，這樣就增加了磨刀次數(shù)，延長了停機(jī)時間和機(jī)床調(diào)整時間，降低了生產(chǎn)率。

（4）粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重。鈦合金材料的粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重，極容易產(chǎn)生積屑瘤，將引起工件尺寸變化，影響到產(chǎn)品裝配質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致零件報(bào)廢。

2.2 刀具材料的選擇

切削加工鈦合金的刀具材料，要求抗變強(qiáng)度高、硬度高、韌性好、熱硬性好、耐磨性好，還要散熱好，切削刀具要求刀面表面光潔，刃口鋒利。對多刃刀具，應(yīng)控制切削刃的跳動量.目前應(yīng)用的有：高速鋼、粉末冶金高速鋼、硬質(zhì)合金及PCD、CBN、金屬陶瓷等超硬材料.

2.3 刀具的修磨及修磨標(biāo)準(zhǔn)

高速鋼刀具由于韌性好，對碰撞不敏感，硬質(zhì)合金硬而脆，對碰撞敏感，刃口易崩.在刃磨中，對硬質(zhì)合金的操作和放置十分小心，防止刀具間的碰撞和刀具摔落.高速鋼刀具精度相對較低，價格較低一般由工廠刀具車間進(jìn)行修磨，硬質(zhì)合金送專業(yè)修磨中心修磨，需要的修磨機(jī)床有磨槽機(jī)：磨鉆頭等刀具的槽或背.磨頂角機(jī)：磨鉆頭的錐形頂角（或稱偏心后角）.修橫刃機(jī)：修正鉆頭的橫刃.手動萬能刀具磨床；磨外圓、槽、背、頂角、橫刃、平面、前刀面等.CNC磨床：一般是五軸聯(lián)動，功能由軟件確定。一般維修數(shù)量大，精度高，但不復(fù)雜如鉆頭、鉸刀等。這類磨床主要供應(yīng)者來自德、美、澳、瑞士和日本。是否擁有一套成熟的修磨標(biāo)準(zhǔn)是衡量一個修磨中心是否專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，在該標(biāo)準(zhǔn)里，規(guī)定了不同刀具在切削不同材料時其切削刃的技術(shù)參數(shù)，包括刃傾角、頂角、前角、后角、倒刃、倒棱等。在硬質(zhì)合金鉆頭中，使刀刃鈍化的工序叫“倒刃”，倒刃的寬度與被切削材料有關(guān)，一般在0.03-0.25mm之間。在棱邊上（刀尖點(diǎn)）倒角的工序叫“倒棱”。HM鉆頭與HSS鉆頭的區(qū)別：前者頂角一般是118°，有時大于130°；刀刃鋒利；對精度（刃高差、對稱度、周向跳動）要求相對低。橫刃有多種修法。后者頂角一般為140°，直槽鉆為130°，三刃鉆為150°。刀刃和刀尖（棱邊上）不鋒利，經(jīng)常被鈍化，或稱倒刃或倒棱，對精度要求高，橫刃經(jīng)常修磨成S型利于斷屑。

2.4 刀具的檢測

常用對刀儀、投影儀、和萬能刀具測量儀來檢測。對刀儀對加工中心等設(shè)備的對刀準(zhǔn)備，如長度等，也可以檢測角度、半徑，階梯長等參數(shù)，投影儀類似，但是二者均不能檢測刀具后角，而萬能測量儀可以檢測大部分幾何參數(shù)，包括后角。刀刃的后角對刀具而言十分重要。后角太大，刃虛易崩、易扎刀；后角太小，則摩擦太大、切削不利。一般而言，后角隨刀具直徑的變大而減小。另外，被切削材料硬，則后角小些，否則，后角大些。

3 鈦合金鉆孔加工工作情況分析

由于鈦合金彈性回彈大，故當(dāng)鉆頭刀尖接觸工件時，刀尖與工件接觸面積增大，使刀尖受軸向力增大，刀尖易造成磨損和破損。鉆頭進(jìn)入工件后由于鈦合金的徑向彈性收緊及導(dǎo)熱性能差，使鉆頭受較大徑向及軸向力，普通鉆頭易出現(xiàn)加工困難、磨損加劇的現(xiàn)象。鈦合金化學(xué)活性高，在高溫高壓下加工，與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷，擴(kuò)散而成合金，造成粘刀具，切屑不易排出，往往產(chǎn)生鉆頭被咬住、扭斷鉆頭等現(xiàn)象。選取專用鈦合金加工的高速鋼鉆頭，通過增厚鉆芯和盡量減小其長度的方法提高剛性。對于數(shù)控加工可使用深鉆固定循環(huán)指令，使鉆頭鉆入1mm-1.5mm后即退刀，再鉆后再退刀，以改善散熱、潤滑條件及減小彈性力。不允許鉆頭不進(jìn)給而在孔內(nèi)打轉(zhuǎn)，以免引起加工硬化。實(shí)際加工中測得孔徑一般都比鉆頭直徑小0.1mm左右，這也是鈦合金材料特性的表現(xiàn)之一，因此鉆孔時可使用比標(biāo)注直徑大0.1mm左右的鉆頭。鉆孔前需用中心鉆點(diǎn)中心孔，并在對刀機(jī)上檢查鉆頭端部，控制刀刃跳動量小于0.02mm。

有螺紋底孔設(shè)計(jì)的應(yīng)提出公差要求，在滿足螺紋精度要求的前提下，螺紋底孔盡量加工到螺紋小徑的上差，如有必要鉆孔后可以鉸孔，以滿足公差要求。鈦合金材料鉆孔時需使用比底孔直徑大0.1mm左右的鉆頭，以抵消回彈量。同時需使用鋒利的鉆頭鉆底孔，減小螺紋底孔的表面硬化層。

鈦合金鉆削加工時使用的冷卻液最好不要使用含氯冷卻液。因?yàn)樵谇邢鬟^程中，切削液在高溫下分解釋放出氯氣，被鈦吸收后引起氫脆，同時，氯還可能引起鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂。鉆削淺孔時，可使用電解切削液；鉆削深孔時，可用N32機(jī)械油加煤油，配比是3：1.5，也可用硫化切削液。適當(dāng)配置鈦合金加工的冷卻液可延長切削刀具的壽命；另外禁止使用低熔點(diǎn)金屬及其合金（鉛或鋅基合金，銅、錫和鎘及合金）制作的工裝、夾他裝置必須清潔無污垢。加工后的鈦合金表面不允許殘留鉛、鋅、銅、錫和鎘等低熔點(diǎn)金屬。如有殘留，應(yīng)使用氫氟酸和硫酸亞鐵溶液仔細(xì)清洗。裝卸清洗鈦合金工件時，必須防止油脂及指紋污染，以避免發(fā)生鹽應(yīng)力腐蝕，使鈦合金工件斷裂。

4 國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和做法

國外主要發(fā)展的是涂層刀具和超硬刀具材料[2]。近幾年由于國外涂層工藝和涂層方法的不斷成熟，使得涂層成分不斷復(fù)雜和多樣化，甚至針對每一種工件材料都有一種最合適的涂層材料，而且出現(xiàn)了梯度涂層、納米涂層、軟涂層、超硬涂層等性能更好的涂層，所以越來越多的涂層刀具已經(jīng)在國外應(yīng)用到鈦合金的高速切削加工中，并顯示了良好的優(yōu)越性。由于金剛石和立方氮化硼刀具[2]的價格非常昂貴，國內(nèi)科研單位和企業(yè)基本承擔(dān)不起，沒有展開深入的研究和廣泛的應(yīng)用。而國外已經(jīng)開始了使用金剛石和立方氮化硼刀具高速切削鈦合金的研究和應(yīng)用。

5 結(jié)語

行業(yè)的發(fā)展對刀具的加工制造不斷提出更高要求，在目前國內(nèi)投入不足情況下，細(xì)分加工情況，建立刀具修磨中心，積累加工數(shù)據(jù)不失為一個有效解決途徑.

參考文獻(xiàn)

1張春江等 鈦合金切削加工技術(shù) 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1986

2 Ezugwu E O，Wang Z M. Tool life and workpiece surface integrity evaluation when machining Ti6AI4V with PVD coated Tools. Surf.Modif. Technol，IOM，1997，10：414-426