钛合金切削性能的研究与应用

l.2.2 刀具几何角度
切削钛合金的车刀， 后角 X0 是所有因素中最敏感的， 因为切削层下的金属弹性恢复大和加工硬度大， 一般采用 大后角， 这样可使刃口易于切入金属层， 减小后刀面的磨 损， 大多数采用 l5 ， 因为低于 l5 会出现金属的粘附现象。 后角过大， 刀具将被削弱， 刀刃容易崩碎。从刀具耐用度来 看， X0 角低于或高于 l5 都会降低车刀的耐用度。此外， X0 角为 l5 的车刀可使刀刃比较锋利， 并降低切削温度。 钛合 金 在 切 削 过 程 中 ， 会与空气中的氧、 氢、 氮等形 式硬脆化合物，造成刀具磨损主要发生在车刀的前刀面 上， 因此应采用小值前角。此外， 钛合金的塑性低， 切屑与 前刀面的接触面积小， 为此也应选用小值前角， 这样既可 增加切屑与前刀面的接触面积，使切削热和切削压力不 过分集中于刃口附近 ， 既有利于散热， 又加强刃口， 不至 因切削力集中于刃口附近而产生崩刀。用硬质合金加工
图l 切削速度与切削温度关系 （YG8 刀片车削钛合金 TA2 ）
V=40-60m / min 范围。 l.2.4 切削用量对表面粗糙度的影响
钛合金零件表面质量的要求很高，这是由于钛合金 对于应力集中很敏感，因此在有刮伤或凹痕时会严重地 降低它的疲劳强度。 走刀量对于表面质量影响很大。图 2 所示为加工钛 合金 Tc6 时走刀量对已加工表面表面粗糙度的关系。试 验参数： 切削速度 V=40m / min 切削深度 ap=lmm 车刀磨损 1 后!0.lmm
2
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钛合金的切削加工
车削加工
钛合金的弹性模数小， TC4 的弹性模量 E=ll0Gpa, 约
为钢的一半，因而由切削力所引起的被加工件弹性变形 大， 将降低工件精度 ， 为此要改善加工系统的刚性， 工件 必须很牢固地装夹， 刀具对工件支承点的刀矩减到最小。 刀具必须锋利， 否则 将 发 生 振 动 、 磨擦， 使刀具耐用度缩 短， 工件精度下降。 切削钛合金时， 只有在切削速度 l— 5mm / min 的范围 内， 才有积屑瘤形成。一般生产条件下， 切削钛合金时没 有积屑瘤。 为 了 改 善 切 削 条 件 ，降 低 切 削 温 度 提 高 刀 具 寿 命 ， 并为了消除火灾的危险，使用大量可溶性冷却剂是必 要的。 加工钛合金切削用量的选用准则，应从切削温度的 观点出发， 采用较低的切削速度和较高的走刀量。高的切 削温度使钛合金从大气中吸收氧和氢造成工件表面硬 脆， 使刀具剧烈磨损 ， 因此在加工过程中， 须使刀尖温度 低到合适的温度。 在断续切削的条件下用 YG8 车刀对有硬皮的钛合金 车削时，切削用量： V=l5-28m / min， f=0.25-0.35mm / I， ap=l-
300 会出现强烈粘刀现象，硬度大于 HB370 时加工极其
困难， 最好设定在 H B300~370 之间的硬度。
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钛合金可切削性机理的研究
各种气体杂质对于钛合金的可切削性有很大影响，
1.1.1 气体杂质的影响
其中最显著的是氧、 氢和氮； 可削性随着气体在钛合金中 的含量增加而恶化。 钛的化学活泼性高， 很容易使与他接触的杂质化合， 但在 600C 以下不会发生作用， 超过 650C 时， 随温度的提 高而增强， 在出现氧 化 皮 的 同 时 ， 氧还向钛中扩散， 在同 素异构转变温度 （882.5C ） 以上， 氧在钛中扩散特别强烈， 以至形成脆化层， 其厚度随时间的增加而增大， 即产生所 谓 “组织 化层” ， 这是钛被氧沾污而引起的额外硬化， 钛 中含氧量愈多， 硬化愈甚。氢在钛中， 随温度的增加而出 现的氧化能力， 其扩 散 极 其 强 烈 ， 并形成间隙固溶体， 产 生氢脆性。氮对钛在室温下没有影响， 高温时氮与钛强烈
a+B 钛合金时，前角 Y0=5 左右，并磨出倒棱 f ，宽度 f= 0.05-0.lmm， Yf= 负 0 -l0 ，刀尖磨成小值圆弧 r=0.5mm，
刃倾角 )=+3 。 但是研究表明， 如果前角在 28 -30 范围内时， 刀具的耐 用度最长。刀尖圆弧半径增大， 可以减少刀具的崩落现象。 一般车削钛合金外圆车刀的几何参 数 ：倒 棱 f=0.3图2 走刀量 f 与表面粗糙度的关系
1
中
钛合金的可切削性
以 45 号钢可切削性为 100%， 钛合金可切削性为 20~
其可切削比不锈钢差， 但比高温合金稍好。 在钛合金 40%， 型钛合金可切削性最差， + 型钛合金较好。 型 钛合金更好， 纯钛最好。一般情况， 材料硬度愈高， 加入合 金元素越多， 可切削越差 。加 工 钛 合 金 时 ， 硬 度 小 于 HB
TC8 ( Ti-6. 5al-3 .5MO-0 . 25si)机械性能
S / Mpa 1100 830 720 b / Mpa 1050 690 570 /% 10 8.5 8.5 /% 40 58 59 ak(J / cm2) 50
— —— — ——
+
） 钛合金。
20 300 500
三种钛合金中最常用的是： 钛合金 （以 TA 表示） 和 （以 TC 表示） 。 ( + ) 钛合金
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钛合金切削性能的研究与应用
沈兴东 （天津职业大学
300402）
摘
要：本文阐述了钛合金的相对可切削性及钛合金切削加工的切削条件； 在此基础上以车加工和孔加工为 例说明了钛合金加工的应用。
关键词：钛合金； 可切削性
0
引言
在钛中加入合金元素形成钛合金，其强度显著提高 ,
化合， 形成硬而脆的氮化钛 TiN。
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车刀的工作表面研磨， 车刀的几何参数： YG 类刀片， vf=0 ，
表S
车削钛合金 TC4 的切削速度
0.l0 49 2 0.l5 0.2 40 34 0.30 28 0.l 44 3 0.2 30 0.3 26
v0=l0 ， 0=l5 ， I=0.5mm。切削用量 V=50-70mm / min， f=0.lap=0.3-l.0mm。刀具后面磨损 1 后!0.3mm。 0.2mm / I，
为了比较，图中还标出了加工合金结构钢 30crMnsi 时走刀量对表面粗糙度的关系。 切削钛合金时， 表面粗糙度与切削速度无关； 切削深 度影响也很小， 表面质量在同一表面粗糙度内变化。 精加工钛合金时， 为了得到表面粗糙度 Ral.6， 应采用
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用 YG8 刀片车削钛合金 TA2 时， 切削速度对切削温 度的关系如图 l 所示。 由图 l 可知，切削温度随着切削速度的提高而急剧 提高， 加大走刀量 f 也使切削温度增高， 但它比提高速度 的影响小。 图中没有绘出切削深度对切削速度的影响。 因 为影响较小， 故从略。
0.35mm / r 和 0.45mm / r 来 加 工 ，则 相 应 获 得 表 面 粗 糙 度 Ra3.2.m、 Ra6.3.m、 Ral2.5.m。
1.1.2 材料性能的影响
从可切削性的观点出发，钛的各种物理—— —机械性 能是很坏的组合，因为每一种性能加重了另一种所引起 的困难。
表1
温度 / C
可提高到 1200Mpa ， 因此工业上钛合 b 由 350~700Mpa ， 金的应用更有重要意义。但钛合金可切削极差， 给其应用 带来困难。本文从钛合金相对可切削研究出发， 根据多年 生产经验阐述了钛合金加工的应用供读者参考。 钛合金按其使用状态下组织常分为三类： 钛合金、 钛合金、 （
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来自百度文库
钛合金严重的硬化是在切削加工中所产生的局部高 温使钛很容易吸收大气中的氧和氮形成又硬又脆的外皮 而造成的。在正常切削条件下， 硬化深度为 0.l— 0.l5mm， 硬化程度为 20— 30%。
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钛合金相对可切削性切削条件的研究
生产中一般采用 YG 类刀片， 但耐磨性 较差。 在粗车
由图可知， 为了要获得表面粗糙度 Ral.6.m， 必须以 走刀量 f=0.l6mm / r 来加工； 如果采用走刀量 f=0.25mm / r 、
0.7mm， Yf =0 ， Y0=8 -l0 ， X0=l5 ， r=0.5mm， )=0 ， Kr=45 ， K,r=l5 。 l.2.3 切削用量对切削温度的影响
从表 1 可知， 钛合金塑性小， 因而极其显著地影响其 切削时的塑性变形。如果用切削的收缩表示被切削层的变 形， 则钛合金切削的收缩系数等于 1 或甚至小于 1， 而普通 碳钢的收缩系数 :3 左右， 钛合金的小的 值使切屑经主 切削刃切离后， 立即向上翻卷， 使切屑与刀具前面间仅有一 于是使作用在车刀接触 极小的接触面积， 约为钢材的 1 / 3， 面积上的压力和局部温度增高，而由于钛合金有很大的强 度极限， 故造成接触面积上受到的压力和局部温度更高， 再 加上钛合金的热导率很低， 为铁的 1 / 5、 铝的 1 / 10， TC8 热 导率 :7.955W / m ・ k，这又极大地限制了刀尖的冷却条件。 此外，高度活泼的金属钛还容易和刀具化合产生焊接和粘 剥。由于这些性能的综合， 在同样切削用量下， 加工钛合金 时， 刀具单位面积所承受的切削力要比一般钢材大得多， 切 削温度也高得多， 因此使刀具磨损很快， 可切削性恶化。
l.2.l 刀具材料
和断续车削时采用 YG8 刀片， 精车连续车削时用 YG3 刀 片， 一般则用 YG6X。 实践证明， 含钽的硬质合金 YA6 效果较好， 它是属于 细颗粒钨钴类硬质合金， 由于加入了少量的稀有元素， 提 高了耐磨性， 代替了原有的 YG6X， 它的抗弯强度、 硬度也 都比 YG6X 高。 在低切削速度或切削复杂型面时，可采用高钒高速 钢 （Wl2cr4V4MO ） 和高钴高速钢 （W2MO9cr4VcO8） ， 它们 是加工钛合金的最好刀具材料，但因钴资源少而价格昂 贵， 尽可能不用或少用。 高的切削速度使切削刀具剧烈地磨损，并且使钛合 金具有从周围大气中吸收氧和氢的能力，使产生所谓组 织的 X 化， 并使加工表面强化。 在选用切削速度和走刀量时，通常使切削温度在 即当走刀量 f=0.ll-0.35mm / r 时， 取切削速度 800C 左右，
1.1.3 含碳量的影响
钛合金的可切削性和含碳量的多少有关。当含碳量 大于 0.20%时， 会形成硬的碳化物， 使可切削性下降。 含碳 量小于 0.20%时， 可切削性得到改善。
1.1.4 加工硬化的影响
在钛合金加工困难的原因中， 有人归咎于加工硬化。 为了确定它的影响程度， 进行了试验， 结果表明在任何情 况下， 钛的加工硬化在程度上远小于不锈钢， 也小于其它 种类容易硬化的钢。
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钻削
钛合金钻削比较困难，常在加工过程中出现烧刀和
断钻现象。主要原因是钻头刃磨不良、 排屑不及时、 冷却 不佳以及工艺系统刚性差等几方面原因造成的。 直径大于 5 毫米的钻头， 最好用硬质合金 YG8 作为刀 可用硬度 HRC"63 的高 具材料。加工小于 5 毫米的孔时， 速钢钻头， 用 当孔深小于直径两倍时， 采用斜 42 或 B20l。 槽 （短型） 的钻头。当孔深大于直径两倍时， 采用麻花钻头。 钻头的几何参数： 7=0 -3 ，c=l3 -l5 ， 2D=l20 -l30 。 为了易于形成切屑、 减少磨擦并改善钻头的切削能力， 可根据钻头直径减少导向刃带的宽度至 0.l-0.3mm， 修磨横 刃到 0.lD， 并双重刃磨顶角 2D=l30 -l40 ， 2D0=70 -80 。 切削用量： 硬质合金钻头 V=9-l5m / min， f=0.05-0.2mm / I。 高速钢钻头 V=4-5m / min， f=0.05-0.3mm / I 。 钻削深孔或小直径孔时， 可采取手动进给。钻孔时必 须周期地从孔中退出钻头， 以便清除切屑。为了避免钻头 强烈磨损， 不能让钻头停留在孔中不进不退， 否则钻刃摩 擦加工表面造成加工硬化， 使钻头变钝。
加大刀尖圆弧半径 I， 减小走刀量 f， 降低刀具磨损 1 后 连续车削钛合金， 可获得表面粗糙度 Ral.25-0.8Pm。 0.l5mm，
ap / mm l f(mm / I) 0.l0 0.l5 0.2 0.30 V(mm / min) 60 52 43 36
刀头强度的前提下 , 要求刀头具有高的耐磨性和硬度是合 理加工钛合金的关健。因此除选用 YG6X 刀片外， 在刃磨 后应当用 金 钢 石 或 碳 化 硅 油 石 背 刀 （背 出 倒 棱 ） ， 主要消 除刃磨锯口， 其次可增强刀刃强度。 粗车不规则黑皮工件时，一般磨刃倾角 7=+3 ~+5 ， 精车时， 一般不磨出刃倾角。刀具磨损在前面， 主要以粘 附 （粘结） 磨损体现出来。 这种刀具能较合理地解决钛合金加工中的主要问 题， 即材料随温度升高的活性以及较差的导热性。因而刀 具耐用度大为提高。