钛合金TC4零件的加工工艺研究
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钛合金TC4零件的加工工艺研究
摘要】本文介绍了钛合金材料基本特性,并着重从零件加工方面介绍了钛合金
TC4切削加工的特点、加工技巧以及加工过程中的注意事项。
【关键词】钛合金加工化学
中图分类号:TH161文献标识码:A文章编号:ISSN1004-1621(2020)07-051-02
前言
近些年,随着军用装备的研发与制造不断向着轻便、灵活方向发展,为了满
足战斗装备对战斗性能要求,除了采用先进的设计技术外,还必须采用性能优良
的材料以及先进的工艺制造技术,其中提高钛合金零件的选用、提高先进钛合金
应用水平也是措施之一。钛合金TC4材料具有强度高、热强度高、抗蚀性好、低
温性能好、化学活性大、导热弹性小等优点,故近年来随着航空航天的飞速发展,钛合金TC4零件在航空航天领域的使用范围逐年增长,所占比例逐渐增大。但
TC4的切削性能较差,影响TC4零件的加工质量和效率。
一、钛合金TC4材料加工特性分析
通过对8个批次(1000件)TC4材料的零件加工研究,掌握钛合金TC4的加
工性较差的主要表现为:切削刀具寿命短;切削过程温度高;同等面积相对切削
力大;易出现冷硬现象。
并针对其特点进行了原因分析:
(1)切削刀具寿命短:
由于钛合金TC4对刀具材料的化学亲和性强,在切削温度高和单位面积上切
削力大的条件下,刀具很容易产生粘结磨损,尤其在车削钛合金TC4时,有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重。若TC4原材料毛坯经过模锻、自由锻、冲压等
方法加工后,形成硬而脆的不均匀外皮,极易造成崩刃现象,使得切除硬皮成为
钛合金TC4加工中最困难的工序。另外钛合金TC4材料的导热系数低。切屑面与
前刀面的接触长度极短,切削时产生的热不易传出,集中在切削变形区和切削刃
附近的较小范围内,加工时切削刃刃口处会产生极高的切削温度,也会大大缩短
刀具寿命。
(2)切削过程温度高:
由于钛合金TC4的导热系数很小,切屑与前刀面的接触长度极短,切削时产
生的热不易传出,集中在切削区和切削刃附近的较小范围内,切削温度很高。在
相同的切削条件下,切削温度可比切削不锈钢时高出一倍以上。
(3) 同等面积相对切削力大:
由于切屑与前刀面的接触长度极短,单位接触面积上的切削力大大增加,容
易造成崩刃。同时,由于钛合金TC4的弹性模量小,加工时在径向力作用下容易
产生弯曲变形,引起振动,加大刀具磨损并影响零件的精度。因此,要求工艺系
统应具有较好的刚性。
(4) 易出现冷硬现象:
由于钛的化学活性大,在高的切削温度下,很容易吸收空气中的氧和氮形成
硬而脆的外皮;同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会
降低零件的疲劳强度,而且能加剧刀具磨损,是切削钛合金TC4时的一个很重要
特点。
二、钛合金TC4切削过程中注意事项:
通过对TC4材料零件的加工特性研究,针对其加工特点,制定加工过程中注意事项。
(1) 一般情况下切削加工钛合金TC4时没有发火危险,
只有在微量切削时,切下的细小切屑才有发火燃烧现象。为了避免火灾,除大量浇注切削油进行冷却之外,还应防止切屑在机床上堆积,刀具用钝后立即进行更换,或降低切削速度,加大进给量以加大切屑厚度。
(2) 由于钛合金TC4的弹性模量小,工件在加工中的夹紧变形和受力变形大,会降低工件的加工精度;工件安装时夹紧力不宜过大,必要时增加辅助支承。
(3) 切削过程中避免使用含氯化物的切削油,因切削油中的氯化物使用时还可能分解或挥发有毒气体,使用时宜采取安全防护措施,切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清洗零件,清除含氯残留物。
(4)禁止使用铅或锌基合金制作的工、夹具与钛合金TC4零件接触,铜、锡、镉及其合金也同样禁止使用。
(5)与钛合金TC4接触的所有工、夹具或其他装置都必须洁净;经清洗过的钛合金TC4零件,要防止油脂或指印污染,否则以后可能造成盐(氯化钠)的应力腐蚀。
(6) 切削过程中避免使用含氢的切削油,因切削过程中使用含氢的切削油时,切削过程中在高温下会分解释放出氢气,被钛吸收后引起氢脆;也可能引起钛合金TC4高温应力腐蚀开裂。
以上就是钛合金TC4切削工艺的注意事项,制定严谨的工艺流程操作方案有利于提高生产效率和产品质量,减少安全隐患,降低企业的综合生产成本。
三、针对钛合金TC4材料零件的加工特点,制定一些加工技巧,能有效提高零件加工效率和加工质量。
(1) 采用正角型几何形状的刀片,以减少切削力、切削热和工件的变形。
(2) 保持恒定的进给以避免工件的硬化,在切削过程中刀具要始终处于进给状态,尤其铣削时径向吃刀量为半径的1/3。
(3) 采用高压大流量切削液,以保证加工过程的热稳定性,防止因温度过高导致工件表面变性和刀具损坏。
(4) 保持刀片刃口锋利,钝的刀具是热集结和磨损的原因,容易导致刀具失效。
(5) 尽可能在零件最软的状态加工,因为淬硬后材料变得更难加工,热处理提高了材料的强度并增加刀片的磨损。
(6) 使用大的刀尖圆弧半径或倒角切入,尽可能把更多的刀刃进入切削。这可以减少每一点的切削力和热量,防止局部破损。在切削钛合金TC4时,各切削参数中切削速度对刀具寿命的影响最大,径向吃刀量(切削深度)次之。
(7)热传导系数低。加工时热量在工件局部表面堆积,很容易使刀具温度过高造成“烧刀”,则要求刀具质量好,而且切削线速度要低(低转速,低进给)。刀具最好是钛合金TC4专用刀具,如果没有也可以用硬质合金刀具,硬度越高越好,建议50度以上。因为刀具硬度越高质地越紧密,传热效果越好,而且尽量不要用涂层刀具,钛合金TC4材料会和涂层里