钛合金的切削加工工艺研究

钛合金的切削加工工艺研究
摘要：钛合金具有密度小、强度高、耐高温等优良特性，在航空航天以及其他方面得到广泛的应用，但由于其加工难度大、切削效率低、刀具寿命短而影响了它的应用。

本文通过对钛合金材料的特性及切削性能的分析，通过生产中的实例，对其车削和铣削工艺方法进行了工艺研究，同时对不同批次的材料加工的零件，出现色差的问题进行了分析。

关键词：钛合金实例色差分析
1、引言
钛合金是一种典型的难加工材料，其加工特性主要表现在以下几个方面：（1）钛合金强度高，硬度大，所以要求加工设备功率大，刀具应有较高的强度和硬度。

（2）切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。

（3）钛合金摩擦因素大，导热系数低。

刀具与切屑的接触长度短，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发。

这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加快，并影响加工质量。

（4）由于钛合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变形。

（5）钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层，进一步加剧了刀具的磨损。

（6）钛合金切削加工中，工件材料极易与刀具表面黏结，加上很高的切削温度，所以刀具容易产生扩散磨损和黏结磨损。

2、生产中管类零件切削加工工艺分析
2.1 管类零件的加工工艺
图1是某管类零件的结构图，该零件的材料选用的是TA2 M的钛合金钢管。

材料规格是φ63×3.5×130，每根坯料可做一件。

在加工过程中，根据该零件的要求，用车削和铣削的方法即可完成。

其加工的工艺规程如图2所示。

零件最后成型属于薄壁零件，在进行加工时，为了保证零件的几何尺寸满足使用要求，加工时不变形。

所以，车削和铣削时都要用芯棒装夹。

而铣削时是第二次装夹，为了减小铣削后的接刀痕，在进行芯棒装夹时，其间隙应尽量的小。

铣削完成后，用锉刀和砂皮将接刀痕打掉。

2.2 刀具材料的选择
加工钛合金的刀具材料应具备如下性能：高温状态下的化学稳定性；足够的强度和韧性；良好的热传导性。

加工钛合金时，应尽可能选择与钛合金亲合力小的刀具材料。

刀具选用YG8硬质合金材料，没有选用YT类硬质合金材料，主要是YT类硬质合金材料中也含有Ti，这样同种元素之间会发生亲和力而出现粘刀现象，当切削温度高，摩擦系数大，就加剧了刀具的磨损。

刀具的几何尺寸如表3所示。

2.3 刀具参数优选
3.3.1 车削加工
因钛合金的导热性差，为减少刀具后刀面与加工表面摩擦产生的热，刀具后角要选的大些，加工一般材料的刀具后角取α0=6°—8°；加工钛合金的刀具后角取α0=14°—17°；前角要大一些，γ0=8°—12°，以保证刀刃锋利，减小加工变形，提高加工表面质量；主偏角Kr=90°，以降低径向力，防止震动；刀尖圆弧rε≤0.8mm 合适。

3.3.2 铣削加工
在图1的外圆表面上加工三个缺口，铣刀的前角、后角等几何参数对提高切削精度和效率以及延长刀具寿命有很大的影响。

所以要对铣刀的形状加以改进，具体措施：
（1）减小铣刀的悬伸。

假如铣刀的悬伸过大，刚度就难以保证。

在保证工件正常加工的前提下，悬伸尽量缩短。

（2）减小铣刀刃口部分排屑曹深度。

这样可使铣刀的寿命得以提高。

2.4 切削参数的优选
对于切削加工来说，既要保证零件的质量、加工效率，又要保证刀具有一定的寿命。

（1）对于外圆的粗车，要保证刀具的使用寿命，切削速度v<80m/min，刀具使用寿命T=480min。

背吃刀量t<1mm，进给量S<0.15mm/r。

因粗加工产生的热量多，要加大冷却液的流量。

（2）对于零件的精车，主要任务是保证表面质量，加工精度和适当的刀具寿命。

切削速度v≤80m/min，背吃刀量t≤0.3mm，刀具的使用寿命T=1080min，进给量S≤0.15mm/r。

（3）在铣削加工时，为了提高刀具的使用寿命，除了要减小铣刀的循环应力，还应加大背吃刀量和切削厚度。

同时铣削速度对零件的表面粗糙度有很大的影响如图4所示，随着铣削速度的提高，铣削过程中增强颗粒的破碎和脱落增多，从而使铣削力铣削振动增大，工件表面的粗糙度也随之增大。

2.5 提高加工系统稳定性措施
为了得到满意的加工零件和效率，必须使系统具有很高的稳定性。

（1）减小刀具的悬长，避免受大的冲击力的时候刀具折断。

（2）选择主轴刚度较大的机床，避免大切削用量引起工艺系统颤振发生。

（3）选择装夹强度较大夹具，增加系统的刚性。

3、零件出现色差问题的分析
在生产实际中由于零件的库存量的原因，通常有混批使用零件的情况。

但是，两批零件的表面会出现轻微的色差。

这严重影响了批次产品外观质量的要求。

通过分析，产生色差的原因主要有以下几个方面：（1）材料批次不同，由于钛合金是在工业纯钛中加入合金元素，不同批次的材料，其组成成分有不同差异，在加工时会有不同色差；（2）加工后钛合金的活性高，易于与空气中物质发生反应，使零件表面产生不同的色差；（3）两批次的加工，出自不同的操作者，使表面粗糙度不一致，由于光的漫反射原理，使粗糙度高的看起来要光亮一些，而粗糙度低的，看起来要暗一些；（4）加工时由于车床转速高或者是刀具不锋利，车削时产生大量的热，无法及时散去，又因为钛合金的活性高，容易与空气中物质发生化学反应，导致表面出现不同色差，这是对不同批次的材料而言；（6）两批加工的操作者，使用的刀具材料，或者是刀具的几何参数选择不同，使两批材料的表面发生不同变化，从而导致两批零件有不同的色差；（6）两批零件加工完后，长时间搁置不用，钛合金的微小差异，而由于钛合金的活性，使其与空气中物质，发生不同的化学反应，使表面产生不同色差。

4、消除色差的方法
零件表面质量的好坏，直接影响产品的外观质量，通过对两批次产品的零件表面来看，同一批次的材料，加工后色差是一致的。

只是不同批次之间才有轻微色差。

由此可知同一批次的材料，其稳定性是好的，所以，可以采取以下办法消
除色差：
（1）同一批次的产品，选用同一批次的材料来加工零件，而且采用零库存的方法，即本批一次性用完所加工的零件，同时这也是符合精益管理的原理：消除不必要的浪费。

（2）零件加工后，不能长时间搁置不用，同时要求同一批采用相同的加工方法，使表面粗糙度一致。

这样就能保证同一批零件表面色差一致。

（3）加工时选用正确的刀具材料，要求高温状态下刀具材料的稳定性好，要有足够的强度和韧性，刀具材料还要有热传导性，尽可能选择与钛合金亲和力小的刀具材料。

通常情况下，车削钛合金时，选用YG类硬质合金刀具材料。

这种材料在加工时，不会发生化学反应，同一批零件就会保持一致。

（4）加工时正确选用刀具的几何参数，因为钛合金的导热性差，为减少刀具后刀面与加工表面摩擦产生的热，刀具的后角要选大一些。

前角要大一些，以保证刀刃锋利，减小加工变形，提高加工表面质量。

主偏角为90°，以降低径向力，防止振动，刀尖圆弧不大于R0.8。

（5）刀具材料和刀具的几何参数选定后，要求进行充分的冷却，以保证切削区热量及时散发，这样既可提高零件表面质量，使零件表面色差一致，同时又可延长刀具的使用寿命。

5、结语
通过实例对钛合金零件的车削和铣削加工的分析，能实现钛合金材料的批量加工，并且满足使用要求。

对生产中出现的色差问题进行分析发现，两批次的零件加工后产生色差，既可能是材料的问题，又可能是操作者在加工中造成的，即是两批零件操作者不同。

只要每批产品，选用同一批材料，加工方法正确，就能完全消除色差问题。

参考文献
[1]陈榕林，陆同理主编.新编机械设计与制造禁忌手册.
[2]傅玉灿等.难加工材料高效加工技术.陕西：西北工业大学出版社，2010年6月.。