钛合金特性及加工方法

钛合金特性及加工方法

钛合金以其强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想得制造材料,但由于其切削加工性差,长期以来在很大程度上制约了它得应用。随着加工工艺技术得发展,近年来,钛合金已广泛应用于飞机发动机得压气机段、发动机罩、排气装置等零件得制造以及飞机得大梁隔框等结构框架件得制造。我公司某新型航空发动机得钛合金零件约占零件总数得11％。本文就是在该新机试制过程中积累得对钛合金材料切削特性以及在不同加工方法下表现出得具体特点得认识及所应采取工艺措施得经验总结。

1 钛合金得切削加工性及普遍原则

钛合金按金属组织分为a相、b相、a+b相,分别以TA,TB,TC表示其牌号与类型。我公司某新型发动机所用材料为TA,TC两种。一般铸、锻件采用TA系列,棒料用TC系列。

特点及切削加工性

钛合金相对一般合金钢具有以下优点:

比强变高:钛合金密度只有4、5g/cm3,比铁小得多,而其强度与普通碳钢相近。

机械性能好:钛合金熔点为1660℃,比铁高,具有较高得热强度,可在550℃以下工作,同时在低温下通常显示出较好得韧性。

抗蚀性好:在550℃以下钛合金表面易形成致密得氧化膜,故不容易被进一步氧化,对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、盐介质均有较高得抗蚀能力。

另一方面,钛合金得切削加工性比较差。主要原因为:

导热性差,致使切削温度很高,降低了刀具耐用度。

600℃以上温度时,表面形成氧化硬层,对刀具有强烈得磨损作用。

塑性低、硬度高,使剪切角增大,切屑与前刀面接触长度很小,前刀面上应力很大,刀刃易发生破损。

弹性模量低,弹性变形大,接近后刀面处工件表面回弹量大,所以已加工表面与后刀面得接触面积大,磨损严重。

钛合金切削过程中得这些特点使其加工变得十分困难,导致加工效率低,刀具消耗大。

切削加工得普遍原则

根据钛合金得性质与切削过程中得特点,加工时应考虑以下几个方面:

尽可能使用硬质合金刀具,如钨钴类硬质合金与钛合金化学亲与力小、导热性好、强度也较高。低速下断续切削时可选用耐冲击得超细晶粒硬质合金,成形与复杂刀具可用高温性能好得高速钢。

采用较小得前角与较大得后角以增大切屑与前刀面得接触长度,减小工件与后刀面得摩擦,刀尖采用圆弧过渡刃以提高强度,避免尖角烧损与崩刃。

要保持刀刃锋利,以保证排屑流畅,避免粘屑崩刃。

切削速度宜低,以免切削温度过高;进给量适中,过大易烧刀,过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快;切削深度可较大,使刀尖在硬化层以下工作,有利于提高刀具耐用度。

加工时须加冷却液充分冷却。

切削钛合金时吃刀抗力较大,故工艺系统需保证有足够得刚度。由于钛合金易变形,所以切削夹紧力不能大,特别就是在某些精加工工序时,必要时可使用一定得辅助支承。

以上就是钛合金加工时需考虑得普遍原则,事实上,用不同得加工方法时及在不同得条件下存在着不同得矛盾突出点与解决问题得侧重点。

2 钛合金切削加工得工艺措施

车削

钛合金车削易获得较好得表面粗糙度,加工硬化不严重,但切削温度高,刀具磨损快。针对这些特点,主要在刀具、切削参数方面采取以下措施:

刀具材料:根据工厂现有条件选用YG6,YG8,YG10HT。

刀具几何参数:合适得刀具前后角、刀尖磨圆。

较低得切削速度。

适中得进给量。

较深得切削深度。

选用得具体参数见表1。

表1 车削钛合金参数表工序车刀前角go

°车刀后角ao

°刀尖圆弧半径re

mm 切削速度v

m/min 切削深度ap

mm 进给量f

mm/r

粗车5 6～10 1～2 40 3 0、2～0、3

精车5 6～10 0、5 60 0、2～0、5 0、1

此外还须注意以下3点:

充分冷却。

车外圆时刀尖不能高于工件中心,否则容易扎刀。

精车及车削薄壁件时,刀具主偏角要大,一般为75～90°。

铣削

钛合金铣削比车削困难,因为铣削就是断续切削,并且切屑易与刀刃发生粘结,当粘屑得刀齿再次切入工件时,粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料,形成崩刃,极大地降低了刀具得耐用度。因此对钛合金铣削采取了3点措施:

铣削方式:一般采用顺铣。

刀具材料:高速钢M42。

从工件装夹及设备方面提高工艺系统刚性。

这里需要特别指出得就是:一般合金钢得加工均不采用顺铣,因机床丝杠、螺母间隙得影响,顺铣时,铣刀作用在工件上,在进给方向上得分力与进给方向相同,易使工件台产生间隙性窜动,造成打刀。对顺铣而言,刀齿一开始切入就碰到硬皮而导致刀具破损。但由于逆铣切屑就是由薄到厚,在最初切入时刀具易与工件发生干摩擦,加重刀具得粘屑与崩刃,就钛合金而言,后一矛盾显得更为突出。

此外,为使钛合金顺利铣削,还应注意以下几点:

相对于通用标准铣刀,前角应减小,后角应加大。

铣削速度宜低。

尽量采用尖齿铣刀,避免使用铲齿铣刀。

刀尖应圆滑转接。

大量使用切削液。

为提高生产效率,可适当增加铣削深度与宽度,铣削深度一般粗加工为1、5～3、0mm,精加工为0、2～0、5mm。

磨削

磨削钛合金零件常见得问题就是粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。其原因就是钛合金得导热性差,使磨削区产生高温,从而使钛合金与磨料发生粘结、扩散以及强烈得化学反应。粘屑与砂轮堵塞导致磨削比显著下降,扩散与化学反应得结果,使工件被磨表面烧伤,导致零件疲劳强度降低,这在磨削钛合金铸件时更为明显。为解决这一问题,采取得措施就是:

选用合适得砂轮材料:绿碳化硅TL。

稍低得砂轮硬度:ZR1。

较粗得砂轮粒度:60。

稍低得砂轮速度:10～20m/s。

稍小得进给量。

用乳化液充分冷却。

钻削

钛合金钻削比较困难,常在加工过程中出现烧刀与断钻现象。这主要就是由于钻头刃磨不良、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得。因此,在钛合金钻削加工中须注意以下几点:

刀具材料:高速钢M42,B201或硬质合金。

合理得钻头刃磨:加大顶角、减少外缘前角、增大外缘后角,倒锥加至标准钻头得2～3倍。

勤退刀并及时清除切屑,注意切屑得形状与颜色。如钻削过程中切屑出现羽状或颜色变化时,表明钻头已钝,应及时换刀刃磨。

加足切削液:一般用豆油,必要时可加法国OLTIP钻孔攻丝专用油。

提高工艺系统刚性:钻模应固定在工作台上,钻模引导宜贴近加工表面,尽量使用短钻头。还有一个值得注意得问题就是:当采取手动进给时,钻头不得在孔中不进不退,否则钻刃摩擦加工表面,造成加工硬化,使钻头变钝。

铰削

钛合金铰削时刀具磨损不严重,使用硬质合金与高速钢铰刀均可。工厂常用得有W18Cr4V,M42,YW1,YG8,YG10HT等。使用硬质合金铰刀时,要采取类似钻削得工艺系统刚度,防止铰刀崩刃。钛合金铰孔时出现得主要问题就是铰孔不光,可采取以下解决措施:

用油石修窄铰刀刃带宽度,以免刃带与孔壁粘结,但要保证足够得强度,一般刃宽在0、1～0、15mm为好。