鈦合金以其強(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，但由于其切削加工性差，長(zhǎng)期以來(lái)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(lái)，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。我公司某新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金零件約占零件總數(shù)的11％。本文是在該新機(jī)試制過(guò)程中積累的對(duì)鈦合金材料切削特性以及在不同加工方法下表現(xiàn)出的具體特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)及所應(yīng)采取工藝措施的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
1 鈦合金的切削加工性及普遍原則
鈦合金按金屬組織分為a相、b相、a+b相，分別以TA，TB，TC表示其牌號(hào)和類(lèi)型。我公司某新型發(fā)動(dòng)機(jī)所用材料為TA，TC兩種。一般鑄、鍛件采用TA系列，棒料用TC系列。
特點(diǎn)及切削加工性
鈦合金相對(duì)一般合金鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：
比強(qiáng)變高：鈦合金密度只有4.5g/cm3，比鐵小得多，而其強(qiáng)度與普通碳鋼相近。
機(jī)械性能好：鈦合金熔點(diǎn)為1660℃，比鐵高，具有較高的熱強(qiáng)度，可在550℃以下工作，同時(shí)在低溫下通常顯示出較好的韌性。
抗蝕性好：在550℃以下鈦合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被進(jìn)一步氧化，對(duì)大氣、海水、蒸汽以及一些酸、堿、鹽介質(zhì)均有較高的抗蝕能力。
另一方面，鈦合金的切削加工性比較差。主要原因?yàn)椋?/span>
導(dǎo)熱性差，致使切削溫度很高，降低了刀具耐用度。
600℃以上溫度時(shí)，表面形成氧化硬層，對(duì)刀具有強(qiáng)烈的磨損作用。
塑性低、硬度高，使剪切角增大，切屑與前刀面接觸長(zhǎng)度很小，前刀面上應(yīng)力很大，刀刃易發(fā)生破損。
彈性模量低，彈性變形大，接近后刀面處工件表面回彈量大，所以已加工表面與后刀面的接觸面積大，磨損嚴(yán)重。
鈦合金切削過(guò)程中的這些特點(diǎn)使其加工變得十分困難，導(dǎo)致加工效率低，刀具消耗大。
切削加工的普遍原則
根據(jù)鈦合金的性質(zhì)和切削過(guò)程中的特點(diǎn)，加工時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：
盡可能使用硬質(zhì)合金刀具，如鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金與鈦合金化學(xué)親和力小、導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度也較高。低速下斷續(xù)切削時(shí)可選用耐沖擊的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，成形和復(fù)雜刀具可用高溫性能好的高速鋼。
采用較小的前角和較大的后角以增大切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度，減小工件與后刀面的摩擦，刀尖采用圓弧過(guò)渡刃以提高強(qiáng)度，避免尖角燒損和崩刃。
要保持刀刃鋒利，以保證排屑流暢，避免粘屑崩刃。
切削速度宜低，以免切削溫度過(guò)高；進(jìn)給量適中，過(guò)大易燒刀，過(guò)小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過(guò)快；切削深度可較大，使刀尖在硬化層以下工作，有利于提高刀具耐用度。
加工時(shí)須加冷卻液充分冷卻。
切削鈦合金時(shí)吃刀抗力較大，故工藝系統(tǒng)需保證有足夠的剛度。由于鈦合金易變形，所以切削夾緊力不能大，特別是在某些精加工工序時(shí)，必要時(shí)可使用一定的輔助支承。
以上是鈦合金加工時(shí)需考慮的普遍原則，事實(shí)上，用不同的加工方法時(shí)及在不同的條件下存在著不同的矛盾突出點(diǎn)和解決問(wèn)題的側(cè)重點(diǎn)。
2 鈦合金切削加工的工藝措施
車(chē)削
鈦合金車(chē)削易獲得較好的表面粗糙度，加工硬化不嚴(yán)重，但切削溫度高，刀具磨損快。針對(duì)這些特點(diǎn)，主要在刀具、切削參數(shù)方面采取以下措施：
刀具材料：根據(jù)工廠現(xiàn)有條件選用YG6，YG8，YG10HT。
刀具幾何參數(shù)：合適的刀具前后角、刀尖磨圓。
較低的切削速度。
適中的進(jìn)給量。
較深的切削深度。
選用的具體參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 車(chē)削鈦合金參數(shù)表 工序 車(chē)刀前角go
° 車(chē)刀后角ao
° 刀尖圓弧半徑re
mm 切削速度v
m/min 切削深度ap
mm 進(jìn)給量f
mm/r
粗車(chē) 5 6～10 1～2 40 3 0.2～0.3
精車(chē) 5 6～10 0.5 60 0.2～0.5 0.1
此外還須注意以下3點(diǎn)：
充分冷卻。
車(chē)外圓時(shí)刀尖不能高于工件中心，否則容易扎刀。
精車(chē)及車(chē)削薄壁件時(shí)，刀具主偏角要大，一般為75～90°。
銑削
鈦合金銑削比車(chē)削困難，因?yàn)殂娤魇菙嗬m(xù)切削，并且切屑易與刀刃發(fā)生粘結(jié)，當(dāng)粘屑的刀齒再次切入工件時(shí)，粘屑被碰掉并帶走一小塊刀具材料，形成崩刃，極大地降低了刀具的耐用度。因此對(duì)鈦合金銑削采取了3點(diǎn)措施：
銑削方式：一般采用順銑。
刀具材料：高速鋼M42。
從工件裝夾及設(shè)備方面提高工藝系統(tǒng)剛性。
這里需要特別指出的是：一般合金鋼的加工均不采用順銑，因機(jī)床絲杠、螺母間隙的影響，順銑時(shí)，銑刀作用在工件上，在進(jìn)給方向上的分力與進(jìn)給方向相同，易使工件臺(tái)產(chǎn)生間隙性竄動(dòng)，造成打刀。對(duì)順銑而言，刀齒一開(kāi)始切入就碰到硬皮而導(dǎo)致刀具破損。但由于逆銑切屑是由薄到厚，在最初切入時(shí)刀具易與工件發(fā)生干摩擦，加重刀具的粘屑和崩刃，就鈦合金而言，后一矛盾顯得更為突出。
此外，為使鈦合金順利銑削，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
相對(duì)于通用標(biāo)準(zhǔn)銑刀，前角應(yīng)減小，后角應(yīng)加大。
銑削速度宜低。
盡量采用尖齒銑刀，避免使用鏟齒銑刀。
刀尖應(yīng)圓滑轉(zhuǎn)接。
大量使用切削液。
為提高生產(chǎn)效率，可適當(dāng)增加銑削深度與寬度，銑削深度一般粗加工為1.5～3.0mm，精加工為0.2～0.5mm。
磨削
磨削鈦合金零件常見(jiàn)的問(wèn)題是粘屑造成砂輪堵塞以及零件表面燒傷。其原因是鈦合金的導(dǎo)熱性差，使磨削區(qū)產(chǎn)生高溫，從而使鈦合金與磨料發(fā)生粘結(jié)、擴(kuò)散以及強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。粘屑和砂輪堵塞導(dǎo)致磨削比顯著下降，擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，使工件被磨表面燒傷，導(dǎo)致零件疲勞強(qiáng)度降低，這在磨削鈦合金鑄件時(shí)更為明顯。為解決這一問(wèn)題，采取的措施是：
選用合適的砂輪材料：綠碳化硅TL。
稍低的砂輪硬度：ZR1。
較粗的砂輪粒度：60。
稍低的砂輪速度：10～20m/s。
稍小的進(jìn)給量。
用乳化液充分冷卻。
鉆削
鈦合金鉆削比較困難，常在加工過(guò)程中出現(xiàn)燒刀和斷鉆現(xiàn)象。這主要是由于鉆頭刃磨不良、排屑不及時(shí)、冷卻不佳以及工藝系統(tǒng)剛性差等幾方面原因造成的。因此，在鈦合金鉆削加工中須注意以下幾點(diǎn)：
刀具材料：高速鋼M42，B201或硬質(zhì)合金。
合理的鉆頭刃磨：加大頂角、減少外緣前角、增大外緣后角，倒錐加至標(biāo)準(zhǔn)鉆頭的2～3倍。
勤退刀并及時(shí)清除切屑，注意切屑的形狀和顏色。如鉆削過(guò)程中切屑出現(xiàn)羽狀或顏色變化時(shí)，表明鉆頭已鈍，應(yīng)及時(shí)換刀刃磨。
加足切削液：一般用豆油，必要時(shí)可加法國(guó)OLTIP鉆孔攻絲專(zhuān)用油。
提高工藝系統(tǒng)剛性：鉆模應(yīng)固定在工作臺(tái)上，鉆模引導(dǎo)宜貼近加工表面，盡量使用短鉆頭。
還有一個(gè)值得注意的問(wèn)題是：當(dāng)采取手動(dòng)進(jìn)給時(shí)，鉆頭不得在孔中不進(jìn)不退，否則鉆刃摩擦加工表面，造成加工硬化，使鉆頭變鈍。
鉸削
鈦合金鉸削時(shí)刀具磨損不嚴(yán)重，使用硬質(zhì)合金和高速鋼鉸刀均可。工廠常用的有W18Cr4V，M42，YW1，YG8，YG10HT等。使用硬質(zhì)合金鉸刀時(shí)，要采取類(lèi)似鉆削的工藝系統(tǒng)剛度，防止鉸刀崩刃。鈦合金鉸孔時(shí)出現(xiàn)的主要問(wèn)題是鉸孔不光，可采取以下解決措施：
用油石修窄鉸刀刃帶寬度，以免刃帶與孔壁粘結(jié)，但要保證足夠的強(qiáng)度，一般刃寬在0.1～0.15mm為好。
切削刃與校準(zhǔn)部分轉(zhuǎn)接處應(yīng)為光滑圓弧，磨損后要及時(shí)修磨，并要求各齒圓弧大小一致。
必要時(shí)可加大校準(zhǔn)部分倒錐。
兩次鉸削。粗鉸余量0.1mm，精鉸余量一般小于0.05mm。
主軸轉(zhuǎn)速60r/min。
鉸完退刀時(shí)，手鉸不能反轉(zhuǎn)退出，機(jī)鉸應(yīng)不停車(chē)退出鉸刀。
攻絲
鈦合金攻絲，特別是M6mm以下的小孔攻絲相當(dāng)困難。主要因?yàn)榍行技?xì)小，易與刀刃及工件粘結(jié)，造成加工表面粗糙度值大，扭矩大。攻絲時(shí)絲錐選用不當(dāng)及操作不當(dāng)極易造成加工硬化，加工效率極低并時(shí)有絲錐折斷現(xiàn)象。其解決辦法如下：
優(yōu)先選用一絲到位的跳牙絲錐，齒數(shù)應(yīng)較標(biāo)準(zhǔn)絲錐少，一般為2～3齒。切削錐角宜大，錐度部分一般為3～4扣螺紋長(zhǎng)度。為便于排屑，還可在切削錐部分磨出負(fù)傾角。盡量選用短絲錐以增加絲錐剛性。絲錐的倒錐部分應(yīng)較標(biāo)準(zhǔn)的適當(dāng)加大，以減少絲錐與工件的摩擦。
加工螺紋底孔時(shí)，先粗鉆再用擴(kuò)孔鉆擴(kuò)孔，以減小底孔的加工硬化。對(duì)于螺距為0.7～1.5mm的螺紋，底孔尺寸可加工到國(guó)標(biāo)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)螺紋底孔的上差并允許再加大0.1mm。
如果不受螺孔位置及工件形狀限制，盡量采用機(jī)攻，避免手工攻絲進(jìn)給不勻、中途停頓而造成的加工硬化。
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，但由于其切削加工性差，長(zhǎng)期以來(lái)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(lái)，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。我公司某新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金零件約占零件總數(shù)的11％。本文是在該新機(jī)試制過(guò)程中積累的對(duì)鈦合金材料切削特性以及在不同加工方法下表現(xiàn)出的具體特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)及所應(yīng)采取工藝措施的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
1 鈦合金的切削加工性及普遍原則
鈦合金按金屬組織分為a相、b相、a+b相，分別以TA，TB，TC表示其牌號(hào)和類(lèi)型。我公司某新型發(fā)動(dòng)機(jī)所用材料為TA，TC兩種。一般鑄、鍛件采用TA系列，棒料用TC系列。
特點(diǎn)及切削加工性
鈦合金相對(duì)一般合金鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：
比強(qiáng)變高：鈦合金密度只有4.5g/cm3，比鐵小得多，而其強(qiáng)度與普通碳鋼相近。
機(jī)械性能好：鈦合金熔點(diǎn)為1660℃，比鐵高，具有較高的熱強(qiáng)度，可在550℃以下工作，同時(shí)在低溫下通常顯示出較好的韌性。
抗蝕性好：在550℃以下鈦合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被進(jìn)一步氧化，對(duì)大氣、海水、蒸汽以及一些酸、堿、鹽介質(zhì)均有較高的抗蝕能力。
另一方面，鈦合金的切削加工性比較差。主要原因?yàn)椋?/span>
導(dǎo)熱性差，致使切削溫度很高，降低了刀具耐用度。
600℃以上溫度時(shí)，表面形成氧化硬層，對(duì)刀具有強(qiáng)烈的磨損作用。
塑性低、硬度高，使剪切角增大，切屑與前刀面接觸長(zhǎng)度很小，前刀面上應(yīng)力很大，刀刃易發(fā)生破損。
彈性模量低，彈性變形大，接近后刀面處工件表面回彈量大，所以已加工表面與后刀面的接觸面積大，磨損嚴(yán)重。
鈦合金切削過(guò)程中的這些特點(diǎn)使其加工變得十分困難，導(dǎo)致加工效率低，刀具消耗大。
切削加工的普遍原則
根據(jù)鈦合金的性質(zhì)和切削過(guò)程中的特點(diǎn)，加工時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：
盡可能使用硬質(zhì)合金刀具，如鎢鈷類(lèi)硬質(zhì)合金與鈦合金化學(xué)親和力小、導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度也較高。低速下斷續(xù)切削時(shí)可選用耐沖擊的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，成形和復(fù)雜刀具可用高溫性能好的高速鋼。
采用較小的前角和較大的后角以增大切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度，減小工件與后刀面的摩擦，刀尖采用圓弧過(guò)渡刃以提高強(qiáng)度，避免尖角燒損和崩刃。
要保持刀刃鋒利，以保證排屑流暢，避免粘屑崩刃。
切削速度宜低，以免切削溫度過(guò)高；進(jìn)給量適中，過(guò)大易燒刀，過(guò)小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過(guò)快；切削深度可較大，使刀尖在硬化層以下工作，有利于提高刀具耐用度。
加工時(shí)須加冷卻液充分冷卻。
切削鈦合金時(shí)吃刀抗力較大，故工藝系統(tǒng)需保證有足夠的剛度。由于鈦合金易變形，所以切削夾緊力不能大，特別是在某些精加工工序時(shí)，必要時(shí)可使用一定的輔助支承。
以上是鈦合金加工時(shí)需考慮的普遍原則，事實(shí)上，用不同的加工方法時(shí)及在不同的條件下存在著不同的矛盾突出點(diǎn)和解決問(wèn)題的側(cè)重點(diǎn)。
機(jī)攻，避免手工攻絲進(jìn)給不勻、中途停頓而造成的加工硬化。
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