鈦合金的車削加工策略

王英武

摘 要：鈦合金材料因比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、耐高溫和焊接性好等優(yōu)異性能，在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，鈦合金材料成一些零部件的首選材料。隨著航空航天領(lǐng)域發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，鈦合金的使用比重越來越大，成為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)理想的制造材料。

關(guān)鍵詞：鈦合金;車削;加工;方法

鈦合金以其比強(qiáng)度高、機(jī)械性能及抗蝕性良好而成為飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)理想的制造材料，但由于其車削加工性差，長(zhǎng)期以來在很大程度上制約了它的應(yīng)用。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展，近年來，鈦合金已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)段、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、排氣裝置等零件的制造以及飛機(jī)的大梁隔框等結(jié)構(gòu)框架件的制造。傳統(tǒng)的鈦合金車削加工因其車削速度低，刀具耐用度低，加工質(zhì)量難于控制，導(dǎo)致加工效率低。提高機(jī)床、夾具、工件和刀具組成的工藝系統(tǒng)剛度，可解決鈦合金薄壁件車削加工變形問題。

一、刀具材料選擇

刀具是高速車削加工中最活躍的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動(dòng)，因此其硬度和耐磨性、強(qiáng)度和韌性、耐熱性、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性等基本性能是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵因素。鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點(diǎn)也給加工帶來了極大的挑戰(zhàn)，尤其是車削刀具，因鈦合金的車削性差而導(dǎo)致刀具磨損快等加工難題頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了加工精度和效率。刀具材料是影響車削加工的重要因素之一，所以合理選擇刀具材料是解決難加工材料車削的一條有效途徑。滿足以上要求的刀具有：陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具、立方氮化硼刀具（CBN）及類金剛石刀具（PCD）等。選擇刀具材料時(shí)，要考慮刀具材料的導(dǎo)熱性能，YG類優(yōu)于YT類。車削鈦合金產(chǎn)生單元切屑，變形系數(shù)近似為1，刀屑接觸長(zhǎng)度很短，車削力集中于刃口附近，單位車削力大，易崩刃。鈦合金材料車削用刀具有硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具、金剛石刀具和高性能高速鋼刀具 等。因此，要選擇韌性要好，sbb≥200kg/mm2。刃口要鋒利，后角要大，鈍圓半徑要小。避免使用鈍刀車削。經(jīng)多次鈦合金車削加工試驗(yàn)、優(yōu)選了刀具材料，確定了刀具幾何參數(shù)，依據(jù)刀具磨損情況，提供了較為合理的車削數(shù)據(jù)。硬質(zhì)合金刀具宜用金剛石砂輪刃磨，車削時(shí)刃口必須鋒利，前后刀面的表面粗糙度Ra值應(yīng)小于0.4um，刃口部分不允許有微小的缺口。刀具刃磨后進(jìn)行研磨，其耐用度可提高30%。

二、刀具幾何參數(shù)選擇

刀具的主要幾何參數(shù)有前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角和刀尖圓角半徑等。刀具的前角愈大，刀具愈鋒利，車削力愈小，適用于精加工。刀具幾何參數(shù)選擇前角g0=4°～8°，后角a0=12°～18°，主偏角？45°～75°，刃傾角l=0°，刀尖圓弧半徑r=0.5～1.5mm。例如，有學(xué)者對(duì)刀具幾何參數(shù)進(jìn)行了分析，TC18鈦合金銑削試驗(yàn)研究刀具幾何參數(shù)對(duì)銑削力與表面粗糙度的影響，結(jié)果表明刀具前角8°、后角10°、螺旋角40°時(shí)，刀具車削性能最好。盡管大多數(shù)人喜歡選用正前角槽形刀具，但事實(shí)上稍帶負(fù)前角槽形的刀具能以更高的進(jìn)給去除材料，并且每齒進(jìn)給量可達(dá)0.5mm。但是這同時(shí)也意味著必須保持最佳穩(wěn)定狀態(tài)，即機(jī)床應(yīng)非常堅(jiān)固，且裝夾應(yīng)極其穩(wěn)定。

三、注意車削速度

車削速度是影響車削熱產(chǎn)生的首要因素。結(jié)果表明，車削速度的選擇必須十分小心。在某些情況下，當(dāng) 車削速度提高10%-15%，則刀具壽命會(huì)下降，這表明車削速度的調(diào)整幅度過大。車削速度宜低，以免車削溫度過高。進(jìn)給量適中，過大易燒刀，過小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過快。車削深度可較大，使刀尖在硬化層以下工作，有利于提高刀具耐用度。在車削加工中，鈦合金最重要的特性就是熱傳導(dǎo)性差。因?yàn)檐囅鲿r(shí)發(fā)作的高溫很難被工件吸收而集合于刀具車削刃上，過多的熱量促進(jìn)車削刃與切屑之間發(fā)作化學(xué)反應(yīng)并發(fā)作月牙洼磨損。參數(shù)設(shè)定時(shí)需要考慮的是進(jìn)給量，進(jìn)給量的大小對(duì)產(chǎn)生車削溫度的大小影響不是很大，在保證加工效率的前提下，減小車削速度增大進(jìn)給量是合理的車削方式。實(shí)驗(yàn)表明車削速度越高，車削溫度會(huì)隨之增加，直接影響刀具的磨損和壽命。因此，要選擇合適的車削速度。

四、冷卻液使用要合理

鈦合金是比強(qiáng)度很高的難加工材料，車削區(qū)溫度快速增高，刀具快速磨損。通過加冷卻液和工具表面鍍膜等方法來提高刀具壽命。由于鈦合金在加工過程中，溫度很高，化學(xué)活性大。在微量車削時(shí)，易出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，所以必須加注充分的車削液。常用的車削液有乳化液和極壓水溶性車削液。為保證加工質(zhì)量及提高刀具的耐用度，還應(yīng)考慮到冷卻液的使用，比如要充分對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行冷卻，冷卻液不僅可以有效降低車削溫度，還可以減少車削時(shí)對(duì)刀具的黏結(jié)現(xiàn)象，提高效率，延長(zhǎng)刀具使用壽命。高速鋼刀具最適合于成形車削、車槽或切斷。對(duì)于連續(xù)車削車削時(shí)使用易溶于水的冷卻液較好。5%硝酸鈉水溶液或5%可溶性油乳水溶液可獲得很好的效果。車削冷卻液有助于冷卻刀具和排除車屑，一般不進(jìn)行干車削。

五、結(jié)束語

作為典型的難加工材料，鈦合金的加工技術(shù)能映一個(gè)國(guó)家的航空制造技術(shù)水平。鈦合金加工時(shí)的車削力只是略高于同等硬度的鋼，但是加工鈦合金的物理現(xiàn)象比加工鋼要復(fù)雜得多，從而使鈦合金加工面臨巨大的困難。因此，通過以上對(duì)鈦合金車削性能分析、合理選擇刀具及加工參數(shù)等問題，有效的解決了鈦合金零件車削時(shí)刀具耐用度低等問題。實(shí)踐證明，要在超硬刀具高速車削鈦合金關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破，須通過進(jìn)一步合理地選擇刀具材料及幾何參數(shù)，優(yōu)選車削用量，針對(duì)不同的加工對(duì)象制定相應(yīng)的加工工藝規(guī)范，加強(qiáng)對(duì)鈦合金車削加工工藝的研究，最終高效率地加工出表面完整性優(yōu)異的航空零件。

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