在鈦合金切削中刀具材料選用及加工工藝的介紹
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由于鈦合金具有比重小，比強度與熱強度高，熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性好，可以顯著地減輕產(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、造船等部門得到廣泛應(yīng)用，幾年來，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求，我們在鈦合金的切削加工工藝上進行了一些探索，下面就此作一介紹。1 鈦合金簡介
鈦合金是同素異構(gòu)體，在低于882℃時呈密排六方晶體，稱為a鈦，在882℃呈體心六方晶體，稱為b鈦，隨著添加其它合金元素的種類、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a、(a+ b) 、b型三種基本組織，各組織對應(yīng)的典型牌號有a鈦：TA6～TA8：a+ b：TC1～TC11： b鈦：TB1～TB3。 影響鈦合金切削加工性的因素 鈦及鈦合金的切削加工，從切削的刀具耐用度、加工表面的質(zhì)量及切屑形成和排屑的難易程度等方面來衡量，鈦及鈦合金屬難加工材料。鈦及鈦合金的切削加工性比奧氏體不銹鋼還差，退火或固溶處理的鈦合金切削加工性優(yōu)于高溫合金，而經(jīng)時效處理后的鈦合金切削加工性和高溫合金差不多。 鈦合金切削加工性差主要有以下原因： 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。 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少，刀具單位面積上所承受的壓力要比一般鋼材大得多，切削溫度急劇上升。 化學(xué)活性大。鈦合金在300℃以上高溫下極易與刀具材料“親和” ， 產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象。
刀具材料的選擇 切削加工鈦合金的刀具材料，要求抗變強度高、硬度高、韌性好、熱硬性好、耐磨性好，還要散熱好，決不能用含鈦的刀具材料，因為含鈦的刀具材料在高溫下很容易與鈦合金親和，加劇刀具磨損。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。常用切削鈦合金的刀具材料見表1。
表1 常用切削鈦合金的刀具材料 牌號 抗彎強度sbb
(MPa) 硬度≥
(HRA) 刀具種類
YG6 1320 91.0 車刀、鏜刀、銑刀、鉆頭、鉸刀
YG8 1741 89 車刀、鏜刀、銑刀、鉆頭、鉸刀、螺紋刀具、拉刀
Y330 1960 90.5 銑刀、鉆頭、鉸刀、拉刀
W12Cr4V4Mo 3200 66～67 車刀、銑刀、成型銑刀、鉆頭、鉸刀、絲錐、拉刀
W12Mo3Cr4V3Co5Si 2844～3334 66～69 車刀、銑刀、成型銑刀、鉆頭、鉸刀、螺紋刀具、拉刀
W6Mo5Cr4V2Al 4511～4609 65～69 車刀、銑刀、成型銑刀、鉆頭、鉸刀、螺紋刀具、拉刀、絲錐
W10Mo4Cr4V3Al 2452～3138 66～69 銑刀、鉆頭、鉸刀
W2Mo9Cr4VCo8 1765～2354 66～69 車刀、銑刀、成型銑刀、螺紋刀具、拉刀、絲錐
圖1
2 鈦合金接頭切削加工舉例
鈦合金接頭零件結(jié)構(gòu)外形如圖1所示，材料為TC4。該零件加工中主要存在以下幾個問題： 零件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，工藝性較差，在加工過程中，集中了車、銑、鏜、鉆等切削加工，刀具基本上是斷續(xù)切削加工， 對刀具有較大沖擊力，易崩刃，刀具壽命短： 加工硬化嚴(yán)重，粘刀，容易產(chǎn)生積屑瘤，刀具磨損嚴(yán)重： 排屑不暢，刀具容易在柄部折斷： 加工表面粗糙，達不到設(shè)計要求，不利于后續(xù)工序基準(zhǔn)定位。
加工鈦合金接頭的主要工藝流程如圖2所示。
圖2
加工六方外形 加工十字形狀 車削工件內(nèi)外圓弧表面 加工零件兩邊U形弧槽
刀具選擇：切削加工六方外形選用端銑刀，YG8刀片，Ø120刀盤，6個刀片。刀具幾何參數(shù)為成品角度。 切削參數(shù)選擇：主軸轉(zhuǎn)速118r/min，進給量47.5mm/min，銑削深度6mm。 切削加工情況：有YG8銑平面，刀具切削輕松，在進刀與工件接觸時以及刀具將工件切透時有振動，中間切削過程平穩(wěn)，使用磨削液。留0.5mm 余量進行精銑，可獲得Ra1.6的表面粗糙度。
刀具選擇：選用硬質(zhì)合金立銑刀，刀具材料為Y330。銑刀外徑Ø40。 切削參數(shù)選擇：主軸轉(zhuǎn)速235r/min。 切削加工情況：用Y330加工十字形狀，手動橫向進給，刀具切削輕松，切削時加磨削液充分冷卻。精銑時銑刀底刃修磨R2，后角為10°～12°，并用碳化硅油石修磨使切削刃光滑，工件能得到Ra1.6的表面粗糙度。此時后角的選擇，尤其是刀具圓弧面后角的選擇至關(guān)重要，過大，會在銑削過程中產(chǎn)生振動，容易崩刃，使切削刃產(chǎn)生鋸口，加劇磨損：過小，會造成排屑、斷屑困難，切屑還會粘刀，后刀面與工件磨擦現(xiàn)象嚴(yán)重，刀具磨損加快。因此正確地修磨后角，可以提高刀具的使用壽命。
刀具材料、幾何參數(shù)及切削用量的選擇如下： 刀具材料為YG8，45°偏刀斷續(xù)切削，使用磨削液讓切削刃冷卻。用工裝夾持工件，每組加工8件，粗車切削用量V=25～38m/min，f=0.3～0.5mm/r，ap=3～5mm.如加工中間內(nèi)孔，在連續(xù)切削的條件下精車，切削用量V=50～75m/min，f=0.1～0.2mm/r，ap=0.25～0.8mm。 前角g=8°～12°能保證刀具強度。
磨出0.05～0.1mm的負(fù)倒棱，增強切削刃強度。 后角a=15°～20°，以減少后刀面與工件的摩擦，提高刀具壽命。 粗車時，刃傾角l=-3°～-5°，精車時刃傾角l=-3°～0°。 粗車時，刀尖圓弧半徑r0=0.5mm，精車時r0=1～2mm，以增強刀尖強度。 切削加工情況：通過以上參數(shù)選擇，工件可獲得Ra1.6的表面粗糙度，并能有效地提高刀具壽命，主切削刃在刃磨后用碳化硅油石研磨出倒棱，可消除刃磨產(chǎn)生的鋸口，提高抗磨損能力，并增強主切削刃強度。
圖1所示U槽深約24mm，寬18mm，圓弧為28，弧形槽弦長61mm，為半盲槽，加工后底部弧面及兩側(cè)面壁厚為4mm。由于是半盲槽，刀具進入切槽后，銑削阻力增大，排屑不暢，刀具與切屑擠壓現(xiàn)象嚴(yán)重，切削過程中有振動，刀具易崩刃，如繼續(xù)切削，刀具將在頸部處折斷。加工后的零件表面凹凸不平，表面粗糙度達不到要求。在選用刀具上，原選用硬質(zhì)合金立銑刀加工，由于銑削產(chǎn)生的振動使銑刀崩刃，刀具壽命較短。后改用超硬鋁高速鋼銑刀(刀具牌號W6Mo5Cr4V2Al)切槽，取得了較滿意的效果。其加工步驟如下： 先將銑刀底部磨出圓角R2，后角值取8°～12°，并用油石修光。如果刀具底部圓角磨削不好及尺寸大小不一，或不等高，那么刀具的使用壽命則會降低。 粗銑，取主軸轉(zhuǎn)速300r/min，加磨削液。手動進給，兩側(cè)各留5mm，分兩次銑削，第一次吃刀深度為12mm，第二次吃刀深度為10mm，底面保證最大尺寸留2mm余量。試驗得知，一把刀在不受撞擊，正常使用的情況下，可加工40件、80條這樣的槽，然后將銑刀卸下刃磨，第二次刃磨后的銑刀，其耐用度稍差。如用硬質(zhì)合金立銑刀加工，一把硬質(zhì)合金銑刀在圓角處刃磨角度合理的情況下，也只能加工4條槽，但表面粗糙度達不到要求。使用超硬鋁銑刀，其耐用度要比硬質(zhì)合金銑刀提高10～12倍。 半精銑，取主軸轉(zhuǎn)速475r/min，進給速度475mm/min，不加冷卻液。 裝上工裝精加工R388圓弧底面及兩側(cè)面尺寸4mm，圓角R2，取主軸轉(zhuǎn)速475r/min，在圓盤上加工應(yīng)保證逆銑，銑削中有振動，可調(diào)整圓工作臺間隙，螺母調(diào)緊，減少振動。順銑帶刀嚴(yán)重，圓盤的竄動容易將零件啃傷，造成零件報廢。試驗得知，用超硬鋁高速鋼銑刀對工件進行半精加工至精加工，其經(jīng)濟價值非?？捎^，一把銑刀可直接加工120件，甚至還要多一些，而用硬質(zhì)合金銑刀其使用壽命僅是它的十分之一。
3 綜合因素探討
影響鈦合金切削加工的因素很多，要依據(jù)實際零件加工情況從各個方面進行綜合分析，找出最佳途徑。下面就我廠這幾年來在加工TA7、TC4材料零件中采取的幾點措施作一簡介。 切削機床、夾具的選擇 切削用量、刀具幾何參數(shù)選擇
切削加工鈦合金應(yīng)選擇剛性好、功率大、具有大的變速范圍和進給范圍的機床，以便于調(diào)整切削參數(shù)。切削加工前認(rèn)真調(diào)整機床導(dǎo)軌間隙，或單獨使用某一方向進給加工時，最好將另一方向的螺母鎖緊，減少機床振動：夾具剛性要好，使用圓工作臺時，應(yīng)將其間隙調(diào)好，螺母鎖緊。 切削加工鈦合金時，應(yīng)重點考慮鈦合金切削時會產(chǎn)生較高溫度的因素，由于切削溫度高，刀具磨損加快。切削溫度一般取值為：硬質(zhì)合金刀具切削溫度應(yīng)控制在600～800℃，高速鋼刀具切削溫度控制在450～560℃的范圍內(nèi)，還要嚴(yán)格控制切削用量，特別是切削速度不能高。在實際加工中要根據(jù)具體材料和不同加工工序進行選擇，并使用充足的切削液，提高切削效率。切削鈦合金刀具的幾何參數(shù)見表2 ，切削鈦合金的切削用量見表3 。
表2 切削鈦合金切削用量(供參考) 刀具材料類型 前角 軸向前角 徑向前角 主偏角 后角 副后角 副偏角 刃傾角 螺旋角
高速鋼車刀 6°～12° 45°～90° 5°～8° 5°～15° 0°～5°
硬質(zhì)合金車刀 3°～7° 45°～90° 8°～12° 15° 0°～5°
端銑刀 0° 5°～8° -13°～17° 12°～60° 8°～12° 5°～8° 6°～10°
硬質(zhì)合金立銑刀 10°～12° 12° 5°～8° 3°～5° 30°
高速鋼立銑刀 15°～18° 6°～10° 1°～10° 35°～45°
高速鋼盤銑刀 0° 10°
表3 切削鈦合金刀具的幾何參數(shù)(供參考) 刀具類型 刀具材料 工件材料sb
(MPa) 粗銑氧化皮 粗銑 精銑 冷卻液
切削速度
(m/min) 每齒進給量
(mm) 軸向切深
(mm) 徑向切深
(mm) 切削速度
(m/min) 每齒進給量
(mm) 軸向切深
(mm) 徑向切深
(mm) 切削速度
(m/min) 每齒進給量
(mm) 軸向切深
(mm) 徑向切深
(mm)
端銑刀 硬質(zhì)合金 ≤1000 18～24 0.06～0.12 大于氧化皮深度 ≤0.6D 24～37 0.10～0.15 1.5～6 ≤0.6D 30～45 0.04～0.08 0.2～0.50 乳化液、磨削液
>1000 15～20 0.05～0.10 20～24 0.08～0.12 1.5～6 24～30 0.04～0.06
立銑刀 硬質(zhì)合金 29～37 0.03～0.06 大于氧化皮深度 30～38 0.08～0.13 10～30 1～4 47～75 0.06～0.08 0.5D～2D
立銑刀 高速鋼 ≤1000 5～10 0.1～0.13 大于氧化皮深度 大于氧化皮深度 10～19 0.1～0.13 1～3 15～37 0.06～0.10
>1000 4～8 0.1～0.13 8～15 0.1～0.13 8～15 0.04～0.08
三面刃銑刀 高速鋼 ≤1000 7～14 0.06～0.08 6 11～22 0.06～0.08 0.5D～2D 1.5～3 14～28 0.05～0.07
>1000 6～12 0.06～0.08 6 7～14 0.07～0.1 9～22 0.05～0.07
注：D為銑刀直徑
