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鈦合金特性及加工方法

[ 來源: | 作者:本站 | 發(fā)布時(shí)間:2018-03-15 | 瀏覽:521次 ]

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。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;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)和解決問題的側(cè)重點(diǎn)。
2 鈦合金切削加工的工藝措施
車削
鈦合金車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)見表1
1 車削鈦合金參數(shù)表 工序 車刀前角go
° 車刀后角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 5 610 12 40 3 0.20.3
精車 5 610 0.5 60 0.20.5 0.1
此外還須注意以下3點(diǎn):
充分冷卻。
車外圓時(shí)刀尖不能高于工件中心,否則容易扎刀。
精車及車削薄壁件時(shí),刀具主偏角要大,一般為7590°。
銑削
鈦合金銑削比車削困難,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1.53.0mm,精加工為0.20.5mm。
磨削
磨削鈦合金零件常見的問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:1020m/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23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OLTIP鉆孔攻絲專用油。
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,YG8YG10HT等。使用硬質(zhì)合金鉸刀時(shí),要采取類似鉆削的工藝系統(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0.10.15mm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23齒。切削錐角宜大,錐度部分一般為34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0.71.5mm的螺紋,底孔尺寸可加工到國標(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。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)和類型。我公司某新型發(fā)動(dòng)機(jī)所用材料為TATC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;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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