钛合金深孔钻削技术的研究
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钛合金深孔钻削技术的研究
发表时间:2012-12-12T10:36:15.593Z 来源:《科教新时代》2012年10月供稿作者:戴翠丽
[导读] 针对钛合金材料的难加工特性,本文从钛合金深孔钻削加工中的钻削系统、刀具几何角度以及切削用量等的合理选择方面进行研究云南国防工业职业技术学院机电工程学院戴翠丽
【摘要】针对钛合金材料的难加工特性,本文从钛合金深孔钻削加工中的钻削系统、刀具几何角度以及切削用量等的合理选择方面进行研究,确定出适合加工钛合金材料的深孔钻用刀片材料和几何参数,改善了钛合金深孔钻削加工性,有效地解决了钻头磨损严重、刀具耐用度不高和效率低下等问题。
【关键词】钛合金;深孔钻削;加工性;刀具耐用度
【中图分类号】G551.25 【文章标识码】A 【文章编号】1326-3587(2012)10-0135-02
钛合金以其比强度高、热强度高、抗蚀性好和高低温性能好等优良特性而在宇航、原子能、电力、化工和石油等行业取得了不可替代的位置。但钛合金属于难加工材料,其加工难度表现在弹性变形大,接近后刀面处材料的回弹量大,后刀面与材料表面摩擦严重;切削温度高;易形成表面变质硬化层,导致加工表面的硬度和脆性提高;粘刀现象严重,易造成刀具粘结磨损;钻削时易生成长而薄的卷曲切屑,使排屑困难等。
深孔钻削属于一种比较特殊的金属切削加工方法, 在机械加工中占有很重要的地位。由于长径比较大, 深孔钻削存在切削热不易散出、切屑不易排出和钻削系统刚性差等缺点 , 刀具耐用度与加工效率极低。因此,对其进行有效的切削是机械加工的难点。为了提高钛合金材料深孔加工质量和生产率,针对其特点本文从刀具材料、刀具几何参数和切削用量等方面进行了试验研究。
一、深孔钻削刀具结构及几何参数
深孔钻削刀具的结构如图1 所示。其设计时主要根据被切削材料选取合理的刀片材料和几何参数。由于深孔钻属于多刃刀具,主切削刃通常刃磨略低于钻心,切削刃上各点的基面是变化的,若按上述标注角度参考严格标注就比较繁琐。由于主切削刃低于钻心不多
(<0.5mm),通常忽略不计,按照我国刀具角度标注习惯,采用正交平面参考系进行标注几何参数。如图2 所示。
二、钛合金材料的性能分析
2.1 钛合金的种类及其组织结构。
钛是同素异构体,熔点为1720℃,在低于882℃时呈密排六方晶格结构,称为α-Ti;在882℃以上呈体心立方品格结构,称为β-Ti。利用钛的上述两种结构的不同特点,添加适当的合金元素,使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下,钛合金有三种基体组织,钛合金也就分为以下三类:α合金,(α+β)合金和β合金。我国分别以TA、TC、TB表示。
(1)α钛合金
它是α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下,均是α相,组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强。在500℃~600℃的温度下,仍保持其强度和抗蠕变性能,但不能进行热处理强化,室温强度不高。
(2)β钛合金
它是β相固溶体组成的单相合金,未热处理即具有较高的强度,淬火、时效后合金得到进一步强化,室温强度可达1372~1666 MPa;但热稳定性较差,不宜在高温下使用。
(3)α+β钛合金
它是双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%~100%;高温强度高,可在400℃~500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。
三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金;α钛合金的切削加工性最好,α+β钛合金次之,β钛合金最差。
2.2 钛合金的性能特点。
(1)钛合金的比强度高。
钛合金的密度仅为钢的06%左右,但强度却高于钢,所以它的比强度是现代工程材料中最高的,超过了铝、镁合金和合金钢。(2)钛合金的热强性好,低温强度高。
铁合金在高温(50℃左右)下仍能保持其力学性能;往钛合金中加人合金强化元素后,能大大提高合金热的稳定性和高温强度,如在30℃一350℃下,其强度为铝合金强度的3一4倍。
(3)钛合金的化学活性大,耐腐蚀性好.
钛合金材料能与大气中的氮、氢、一氧化碳、二氧化碳等产生反应,生成硬化层或脆性层,使得脆性加大,塑性降低;另外钛合金能与空气中的氧产生强烈反应,生成致密坚固的氧化膜,其耐腐蚀性能比不锈钢还高。
(4)钛合金的导热性能差、弹性模量。。
钛合金的导热系数仅为钢的1/4、铝的1/l4;弹性模量约为钢的1/2,刚性差、变形大。
三、钛合金深孔钻削加工性差的原因
钛合金虽然具有卓有的使用性能,但其物理、力学性能也给切削加工带来了很大的困难。钛合金的切削特点主要有:
(1)变形系数小。切削钛合金时,形成挤裂切屑,其变形过程比P类材料的复杂的多。一半金属切削过程中,变形系数为1.5~4,而切削钛合金时,变形系数约为0.8~1.05。
因此,切削钛合金时,切屑与前刀面的接触长度很小,切屑呈挤裂节状,挤裂切屑背面出现深而宽的裂纹;钛合金切屑与前刀面接触温度很高,使前刀面对切屑底层的挤压与摩擦减小;切削区的高温引起α-Ti和β-Ti的变化、转化,使切屑组织发生变化;高温下,钛合金吸收大气中的氢、氧、氮等元素,因此氢、氧、氮等气体饱和了的并且大多是初生α相组织的切屑失去塑性,不出现一般的收缩。后两种过程是增加切屑向挤裂发展的因素。
(2)刀-屑摩擦剧烈。切削时,切屑因变形系数小,眼前刀面的流出速度大于切削速度,与其他大多数金属材料的切削相比,钛合金
切屑沿刀具前刀面的摩擦更剧烈,刀具更容易磨损。
(3)刀尖角应力大。切削钛合金时,虽然主切削力比切削45钢小1/2~2/3,但切屑与前刀面的接触长度只是切削45钢的50%~60%,刀尖、切削刃附近较小范围内负荷很大,应力集中,因而刀尖或切削刃容易磨损甚至损伤。
(4)切削温度高。切削钛合金时,摩擦因数比一般钢材大,造成切屑与刀具接触界面温度高。另外,钛合金的导热率小,散热条件差,也造成切削温度高的重要原因。据资料[7,380]切削钛合金时前后刀面温度均比45钢高很多,并且其前后刀面具有显著的温差,这对金属切削是十分不利的。
(5)钛合金材料化学活性高,切屑粘刀现象严重,易使刀具产生扩散磨损和磨料磨损。在切削高温下,钛合金极易与空气中的氢、氧、氮等元素发生化学反应,产生脆性氧化层。据资料[7,380]钛合金含氧量从0.66%下降到0.32%时,刀具寿命可提高4倍。
(6)钛合金弹性模量小,弹性恢复大。后刀面与加工表面的摩擦面增大,刀具切削抗力增大。
四、钛合金深孔钻削加工性改进方法
(1)选择合适的深孔加工系统。
对于小孔径(直径小于30mm)的加工,可以选用DF(DoubleFeeder)深孔加工系统或者枪钻系统,其中DF系统应用更为广泛,这是因为DF系统比枪钻结构简单,排屑能力更强;对于大孔径的加工,可以采用BTA系统(B“ng叨d仆Panni叱助sociation发明的)或者喷吸钻系统,这两者均有较好的冷却、润滑与排屑效果。
(2)选择方便合理的钻头结构。
深孔加工的钻头主要有深孔麻花钻、枪钻、内排屑深孔钻等。在加工超小孔径(直径小于6二)深孔时,一般采用枪钻比较合适;对于孔径小于somln 的深孔,可以采用深孔麻花钻或小孔径DF内排屑深孔钻;加工大孔径时,一般选用多刃错齿内排屑深孔钻。多刃错齿内排屑深孔钻由刀体、导向块、外齿、中心齿、中间齿组成。这种结构的深孔钻,钻头的刀片分布比较合理,可以使径向力始终压向导向块,导向块紧贴已加工孔壁向前推进,钻孔直线度比较好,较好地解决了深孔加工的导向问题。
(3)选择合适的刀具材料。
加工铁合金时,尽可能地选用硬质合金刀具川,以提高生产效率。在硬质合金材料中不宜选用YT 类硬质合金刀片。因为YT 类硬质合金刀片中含有钛,它会与被加工钛合金的钛发生亲和作用,产生枯刀现象。应尽可能选用细晶粒的YC类硬质合金刀具,因为钨钻类硬质合金与铁合金化学亲和力小、导热性好、强度也较高,这样切屑温度较低,刀具磨损较小,表面粗糙度较小。一般选用耐冲击的YCS硬质合金刀片。
(4)选择合理的刀具几何参数。
以多刃错齿内排屑深孔钻为例,在深孔钻削过程中,余偏角的大小直接影响切削力的分配、切削变形、切削厚度、切削宽度和断屑状况。适当地减少余偏角,可使径向力减小,起到定心作用,有利于改善导向块的受力状态,减小钻头的走偏,并能改善切屑的流出方向,并使排屑顺畅。通常外刃余偏角取160一180,内刃余偏角一般应取得比外刃余偏角大,通常取200。
前角的大小主要根据工件材料和加工要求而定,由于钛合金在切削过程中容易形成形成硬脆层,加速刀具磨损,因此钛合金切削应采用较小的前角;另外,采用较小的前角,可以增大切屑与前刀面的接触长度,降低切削温度,提高刀具耐用度。在深孔钻削钛合金时通常取刀具的外刃前角为00一20,内刃前角为20一50。
切削刃后角主要根据工件材料和进给量选取,由于钛合金的弹性模量小,回弹量大,致使后刀面与加工表面接触面积大。为减少后刀面与加工表面间的摩擦,需加大后角。考虑到深孔钻削的特殊性,为提高刀具耐用度一般外刃后角取80一100,内刃后角取100一120。钻尖偏心量为5mm一6mm。断屑台的参数是:宽度取为1.5mm。,深度取为0.5mm。
(5)优化切削用量。
在钛合金的深孔钻削过程中,应采用较低的切削速度,以免切削温度过高;进给量应适中,进给量过大易引起刀刃烧伤。根据实践经验,通常取进给量了二0.05mm /r一0.15mm /r,切削速度,=10mm/min~30mm/min。
(6)选用有效的冷却系统。
在深孔钻削中,根据不同的加工系统,冷却液压一般在15MPa一3MPa;所用的冷却液.采用极压乳化液或极压切削液效果较好。
(7) 由于深孔加工中的工件较长,一般应采取一定的工装夹具,保证加工系统的刚性。
五、结束语
钛合金以其良好的使用性能在各部门得到了广泛应用,而钛合金的切削加工性能差,其深孔钻削的技术难度更大。通过选用合理的钻头结构、刀具材料、刀具几何参数、优化切削用量等改善措施可以降低切削温度,减小刀具的磨损,提高刀具耐用度,提高钛合金的深孔钻削性。
【参考文献】
1、王克印、朱林,钛合金深孔钻削钻头刀片材料和几何参数的选择[J]机械设计与制造 2005,(6)
2、白宝宝、朱林,钛合金TC4深孔钻削用量的实验研究[J]新技术新工艺?数字技术与机械加工工艺装备 2010,1:25-27
3、赵红兵、朱林,钛合金深孔钻削刀具的试验研究[J]中国机械工程 2006,17(6):591-595