鈦合金材料及其加工刀具參數(shù)選擇

孫 敏

(呼和浩特市機(jī)械工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐熱性和耐蝕性好等性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。然而由于其導(dǎo)熱性能差、化學(xué)活性高、彈性模量小等特征，切削過(guò)程中刀具損耗嚴(yán)重,很大程度上制約了它的應(yīng)用。以下主要論述鈦合金的切削性能和切削參數(shù)的設(shè)置。

1 鈦合金的切削特效

鈦合金材料的硬度高、強(qiáng)度大，所以要求加工設(shè)備的功率大，刀具具有較高的強(qiáng)度和硬度。切削加工時(shí)，切屑與前刀面的接觸面積較小，切削刃承受較大的應(yīng)力，刀尖或切削刃容易被磨損；鈦合金材料的導(dǎo)熱性差，約為鎳的1/4、鐵的1/5、鋁的1/4，切削熱聚集于切削刃附近的一小塊區(qū)域內(nèi)而不易散發(fā)，切削區(qū)域溫度快速升高，容易造成刀具磨損；鈦合金塑性和切削變形系數(shù)都較小，加工時(shí)刀具—切屑單位接觸面積上受到的切削力大，而其塑性差，刀具很容易被磨損；由于鈦合金很容易與其他材料親和，在零件加工過(guò)程中，隨著切削溫度的升高和切削力的增大，產(chǎn)生的切屑與刀具表面的接觸點(diǎn)相互黏結(jié)在一起，刀具產(chǎn)生黏結(jié)磨損；鈦合金材料本身模量小、屈強(qiáng)比大，所以切削過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)回彈、變形、抖動(dòng)等現(xiàn)象。這樣就是刀具后刀面過(guò)度損耗，同時(shí)刀具損耗造成零件的過(guò)度變形，完成工件的廢品率很高，造成材料的浪費(fèi)。

2 鈦合金切削加工刀具選擇

2.1 鈦合金切削加工刀具材料

完成鈦合金零件加工時(shí)，主要考慮切削溫度和刀具黏結(jié)兩個(gè)因素，所以刀具的紅硬性和導(dǎo)熱能力要好，抗彎曲能力要強(qiáng)，加工時(shí)不易出現(xiàn)刀具與工件相互黏結(jié)的現(xiàn)象。通過(guò)多年學(xué)習(xí)與工作經(jīng)驗(yàn)積累總結(jié)，下列材料適宜加工鈦合金零件。

①對(duì)于復(fù)雜、多刃刀具可選用高速鋼材料，適于制作切削鈦合金的鉆頭、鉸刀、立銑刀、拉刀絲錐等刀具。含鋁高速鋼牌號(hào)W6Mo5Cr4V2Al，高鈷高速鋼牌號(hào)W2Mo9Cr4VCo8，粉末冶金高速鋼牌號(hào)HRC65270。②加工鈦合金零件常用硬質(zhì)合金銑刀，粗加工選用YG8、YG8W、YG10H，精加工選用YG8W、YP15(YGRM)。③涂層刀具的優(yōu)點(diǎn)是其抗黏結(jié)性能和抗氧化性能都非常強(qiáng)，因而其抗月牙洼磨損能力和耐磨性能都極強(qiáng)，在鈦合金零件加工過(guò)程中可以有效避免發(fā)生黏結(jié)現(xiàn)象且加工效果較好。④立方氮化硼(CBN)刀具。CBN刀具的優(yōu)點(diǎn)是硬度和熱硬性極高，在進(jìn)行淬硬鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金等零件的高速精加工和半精加工時(shí)，最理想刀具材料是CBN材料。切削中速度最高可達(dá)250 m/min，整個(gè)加工過(guò)程效果較好。⑤聚晶金剛石(PCD)刀具。PCD刀具的優(yōu)點(diǎn)是硬度高、導(dǎo)熱性好、抵抗磨損性能好及摩擦系數(shù)低。PCD刀具可以實(shí)現(xiàn)高速、高穩(wěn)定性、高精度的鈦合金材料加工，且加工效果良好。

2.2 鈦合金切削加工刀具幾何參數(shù)

2.2.1 車刀。鈦合金零件切削加工時(shí)，刀具的剛性要特別的好，刀具前角、后角要小些。例如完成TC4零件加工，粗加工使用刀具前角適合為0°～3°，精加工時(shí)選擇刀具前角的大小適宜8°～15°，過(guò)程中出現(xiàn)的切屑形狀為卷曲狀。

如果在切削過(guò)程中用到鏜刀或外圓車刀，刀具前角適宜為10°～15°，后角為8°～14°，刀尖圓弧半徑R為0.2 mm～0.6 mm，完成最后一道工序時(shí)前角取15°，后角取14°。如果用到螺紋車刀或成型車刀，螺紋刀應(yīng)選擇前角為0°，后角為10°，成型車刀，應(yīng)選擇前角為5°，后角為10°。

2.2.2 鉆頭。鉆削時(shí)，選擇螺旋角較大的鉆頭，適宜選擇25°～30°，同時(shí)要對(duì)鉆頭的螺旋槽進(jìn)行拋光處理，鉆芯厚度約為1/4鉆頭直徑。鉆頭頂角適宜選擇135°～140°，后角為12°～15°，這樣可以增大切削厚度和寬度。

2.2.3 銑刀。對(duì)于通用標(biāo)準(zhǔn)銑刀，前角值選擇得小點(diǎn)，而后角值大一點(diǎn)。根據(jù)多年的加工經(jīng)驗(yàn)，一般選擇前角為6°～8°，后角6°～12°，螺旋角適宜為35°～40°，螺旋角前段為3°，刀尖圓弧半徑R為0.5 mm～0.6 mm的銑刀。

2.2.4 絲錐。為了避免發(fā)生“抱錐”現(xiàn)象和刀具斷裂情況的發(fā)生，絲錐前角適宜選擇為7°～10°，絲錐后角適宜選擇為6°～12°，校正齒型面鏟后角1°，錐角5°～7°30′。小于M6攻絲，切削錐角度為7°30′的修正齒絲錐。

2.2.5 鉸刀。因?yàn)殁伜辖鸩牧系膹椥阅Ａ枯^小，所以選擇前角為3°～5°的鉸刀加工，后角適宜為10°，切削刃寬度為0.15 mm。

3 鈦合金的切削用量

3.1 車削

用硬質(zhì)合金YG8車刀加工表面被氧化形成硬膜的鈦合金毛坯件時(shí)，粗加工時(shí)，切削速度、切削深度和進(jìn)給量的經(jīng)驗(yàn)值為：v=15 m/min～28 m/min,ap=1 mm～3 mm,fr=0.25 mm/r～0.35 mm/r。用硬質(zhì)合金YG3完成精加工時(shí)，切削速度、進(jìn)給量和切削深度的經(jīng)驗(yàn)值為：v=50 m/min～70 m/min,fr=0.1 mm/r～0.2 mm/r,ap=0.3 mm～1 mm。用硬質(zhì)合金車刀加工TA8，TC3～8工件時(shí)的切削速度、進(jìn)給量見(jiàn)表1。

表1 車削TA8，TC3～8時(shí)的切削用量

使用硬質(zhì)合金YG6X刀具加工TC4材料，TC4材料布氏值是HB320～360,ap=1 mm,fr=0.1 mm/r時(shí)的最佳切削速度是v=60 m/min。YG6X刀具車削TC4時(shí)，根據(jù)進(jìn)給量的大小確定切削深度和切削速度，見(jiàn)表2，表內(nèi)個(gè)參數(shù)值均是工作中的經(jīng)驗(yàn)值。

表2 車削TC4時(shí)的切削用量

3.2 鉆削

鉆削是完成鈦合金零件加工最難的工序內(nèi)容，經(jīng)常會(huì)在鉆削中出現(xiàn)燒刀或鉆頭斷裂的情況。以下是多年加工總結(jié)的鉆削經(jīng)驗(yàn)與推薦方法。

①多退刀，實(shí)時(shí)清理產(chǎn)生的切屑，認(rèn)真觀察切屑卷曲的形狀和顏色。如果切屑的形狀呈羽毛狀或顏色發(fā)生了改變時(shí)，說(shuō)明刀刃已變鈍，要立刻更換刀具或進(jìn)行刀刃的磨削。②在完成鈦合金零件的鉆削加工時(shí)，要加足量的切削液。③將鉆模固定在臺(tái)面上，鉆模的引導(dǎo)作用可使刀具更容易貼近被加工表面，鉆頭稍短一些完成的鉆削效果更好。

3.3 銑削

由于銑削過(guò)程不是連續(xù)切削完成的，切屑與刀齒親和性強(qiáng)易出現(xiàn)黏結(jié)的情況，如果黏結(jié)的材料過(guò)多還會(huì)出現(xiàn)崩刃或損傷刀齒的問(wèn)題，嚴(yán)重地影響了刀具的使用壽命。為了避免這種情況發(fā)生，在機(jī)床、刀具許可的條件下，優(yōu)先考慮順時(shí)針?lè)较蜚娤骷庸ぁｃ娤麾伜辖饡r(shí)切削用量，見(jiàn)表3。

表3 銑削鈦合金切削用量

3.4 攻絲

鈦合金工件進(jìn)行攻絲時(shí)，最適合采用跳牙絲錐，因?yàn)檫@種絲錐的齒數(shù)一般是2～3齒，比標(biāo)準(zhǔn)絲錐的齒數(shù)要少。短絲錐的剛性較長(zhǎng)絲錐的要好，所以適合選用短絲錐。切削錐的角度可以稍大點(diǎn)，錐度部分的長(zhǎng)度一般為3～4扣的螺紋長(zhǎng)度。將絲錐的倒錐部分適量的放大一點(diǎn)，以減小倒錐部位與加工表面之間的摩擦。

3.5 磨削

在鈦合金磨削過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)碰到粘屑堵塞砂輪以及零件表皮被灼傷的現(xiàn)象。解決這個(gè)問(wèn)題，可以采取以下加工方法：砂輪材料選擇碳化硅TL，砂輪硬度值ZR1，砂輪粒度為60，砂輪速度控制在10 m/s～20 m/s，進(jìn)給量盡量控制的小一點(diǎn)，磨削過(guò)程中要進(jìn)行充分的冷卻，最好選用乳化液。

4 切削液的選擇

完成鈦合金加工時(shí)，最關(guān)鍵是解決“高溫”這一問(wèn)題。為了降低刀具表面的溫度，選擇的切削液首先冷卻降溫要特別好，而且具有輔助的潤(rùn)滑效果。在冷卻液中，水的導(dǎo)熱系數(shù)是最大的，比油大3～5倍，比熱值也比油大1倍，汽化熱大出將近10倍，所以用水溶性切削液較適合鈦合金材料的加工。鈦合金車削和銑削加工時(shí)，適合選用乳化液，或加有一定量極壓添加劑的水溶性切削液。極壓乳化劑的成分含量,見(jiàn)表4，極壓添加劑的水溶性切削液的成分含量為,見(jiàn)表5。

表4 極壓乳化液配方

表5 水溶性切削液的配方

完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、拉削、攻絲等工序，適合選用潤(rùn)滑效果較好的極壓可溶性油作切削液，如硫化油、氯化油、蓖麻油、油酸等。在冷卻過(guò)程中，最好采用高壓內(nèi)冷卻法、高壓噴霧冷卻法，這兩種方法可以提高冷卻與潤(rùn)滑的效果。切削液流量應(yīng)不少于15 L/min～20 L/min。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鈦合金材料的切削特效及加工中刀具材料和刀具幾何參數(shù)的正確選擇，在進(jìn)行車削、鉆削、銑削等加工時(shí)，切削用量的合理設(shè)置及切削液的合理使用；降低了刀具的損耗速度和零件的生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了加工效率。