TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择.doc

TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择 TA15、TB6两种钛合金材料具有重量轻、强度高、耐热、耐腐蚀、疲劳性能好等一系列优良的力学、物理性能，成为航空航天、核能、船舶等领域理想的结构材料之一。但由于该材料价格昂贵，难加工，尤其是铣削加工制造周期长、成本高，制约了它的应用。而新一代航空产品需要具备更优异的性能新材料、新结构、新工艺被广泛应用。同时，为了竞争的需要，研制周期短和制造成本低是取胜的关键，因此，开展对TA15、TB6两种钛合金材料切削加工的研究是必要的，特别是铣削高效加工的探索尤其显得紧迫和重要。TA15、TB6钛合金材料主要特征TA15 a钛合金是a相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在930MPa以上，耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，500600 下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。TB6 b钛合金是b相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在1105MPa 以上，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。TA15、TB6钛合金的切削加工工艺特性摩擦系数大，导热系数低，刀尖切削温度高。钛合金热导率仅为钢的1/4 、铝的1/14 、铜的1/25 , 因而散热慢，不利于热平衡。切削时产生的切削热都集中在刀尖上，使刀尖温度很高，易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。弹性模量小。钛合金的弹性模量只有30CrMnSi的56% ，这说明零件的刚性差，切削时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命;同时造成已加工面的弹性恢复较大，刀具后面摩擦增加导致刀具过快磨损。化学活性大。在300 以上时有强烈的吸氢、氧、氮的特性，造成加工表面易产生脆硬的化合物，切屑形成短碎片状，使刀具极易磨损。钛合金化学亲和力较强，极易与其他金属亲和结合。在加工中切屑与刀具的粘结现象严重，使刀具的粘结和扩散磨损加大。TA15、TB6钛合金零件切削用量和刀具参数的选择主要加工方法钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄(23mm) ，主要配合表面的尺寸精度、形位公差又较严，因此每项结构件都必须按粗加工半精加工精加工的顺序分阶段安排工序。主要表面分阶段反复加工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计图的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削、攻丝等。铣削用量及刀具的选择钛合金结构件中大量应用铣削加工，如零件内外型面。刀具应选择具有高硬度、高抗弯强度和韧性、耐磨性好、热硬性好、工艺性好、散热性好的材料，主要为高速钢W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金YG8、K3O、Y330。刀具几何参数应以保证刀具强度高、刚性好、锋利为原则，细长比不能过大，并分粗、精加工两种，加工时最好采用顺铣。铣削刀具参数见表1，常规加工铣削用量见表2。铣削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，切削液流量应不小于5L/min ，以延长刀具的使用寿命。在上述常规加工的基础上，为进一步提高铣削加工效率，我们在强力铣加工中心机床上进行了高效铣削试验，获得了较理想的效果。切削用量、刀具和切削液，铣削用量数据见表3。通过高效铣削与常规对比可以看出，高效铣削加工比常规加工效率提高了24倍，零件表面质量也得到较大的提高，加工周期大大缩短，制造成本相应降低。车削用量及刀具的选择在刀具、切削用量、切削液选择合理的情况下，钛合金车削并不困难，与加工合金钢接近。但车削钛合金表面氧化皮较为困难，一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮，然后车削剩余的氧化皮，车削时切削深度应超过氧化皮深度15倍，走刀量可加大，但切削速度应降低。刀具材料应选择YG类硬质合金材料。刀具几何参数选择：前角g0=48，后角a0=1218，主偏角4575，刃倾角l=0，刀尖圆弧半径r=0.51.5mm 。切削用量的选择：主轴转速n23Or/min，进给量f 0.100.15mm/r ，切削深度ap=1.52.0mm 。车削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，提高刀具的耐用度。表1 铣削刀具参数表2 常规加工铣削用量表3 高效加工铣削用量刀具材料磨削用量及刀具的选择磨削加工可获得较高精度，但由于钛合金的特有性质决定了钛合金磨削非常困难。磨削时砂轮磨损严重，容易变钝，磨削比也较低;同时易在表面产生有害的拉应力及严重的表面烧伤现象，因此应尽量避免磨削加工，以精铣代替。磨削材料选择：磨削钛合金选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料。如出现磨削烧伤趋势，应使用人造金刚石或立方氮化硼砂轮，其效果好，但价格昂贵。砂轮硬度选择较软砂轮R3、ZR1、ZR2，粒度选择46、60为佳，选A类结合剂。磨削用量选择见表4。钛合金零件在磨削过程中必须充分冷却，否则零件会变色甚至烧伤。磨削液除具有冷却、润滑和冲洗作用外，更重要的还在于能有效地抑制钛与磨料的粘附和化学反应。表4 磨削用量表5 不同规格钻头的螺旋角表6 钻头直径与外缘处后角af的关系表7 钻头直径D与倒锥度的关系表8 钻头直径D与切削用量的关系表9 铰削用量适当增大钻头顶角，顶角范围由118120增加到135 140，其目的是增强切削部分并使切削厚度增加，改善钻削效果。选择合适的螺旋角b，b角增加，前角也增加，切削轻快，易于排屑，扭矩和轴向力也小，见表5。增大钻心厚度，以提高钻头强度。钻心厚度一般为：K=(0.450.32)D，D为钻头直径。增大钻头外缘处后角，可以使横刃锋利，改善切削性能，特别对钻心处的钻削加工有明显改善，外缘处后角选择见表6 。加工成倒锥K，减小棱带同孔壁摩擦，使钻头切削时扭矩减小，提高效率，倒锥度见表7。钻削用量见表8 。钛合金进行钻削和攻丝加工时最好不用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆。钻削浅孔时，可用电解切削液;钻削深孔时，可用N32机械油加煤油，也可用硫化切削铰削用量及刀具的选用钛合金铰孔是最后一道精加工工序，不仅要考虑生产率的问题，更重要的是要保证孔的加工质量(精度和表面粗糙度)。为此必须保证刀具质量，合理选择切削用量，注意铰刀与钻铰模的协调和正确的操作技术。通过钻孔扩孔(粗铰)精铰的加工方法，一般都能满足产品零件规定的要求。刀具材料一般选用M42高速钢或硬质合金K30。刀具的几何参数为：前角g0=37，后角a0=1218，主偏角=518，刃倾角l=0。校准部分刃带宽度b=0.050.15mm ，过宽容易同钛合金加工表面粘结，过窄容易在铰削时产生振动。铰刀齿数Z=48(铰刀直径为1020mm)。我们加工的肋和接头，因加工的两孔跨度较长，同轴度要求较高，为此专门设计了加长钻头和铰刀。切削用量的选择见表9。铰削时应不断地注人冷却润滑液以获得较好的表面粗糙度，同时应勤排屑，及时清除铰刀刃上的切屑末，铰削时要匀速地进退刀。攻丝用量及刀具参数的选钛合金攻丝时会产生很大的挤压变形，作用在螺纹齿侧的摩擦力加大，这样不但使加工出来的螺纹表面粗糙度不好，而且丝锥容易折断。为了改变这种情况，可以采用跳牙丝锥或改进丝锥结构(加大校正段刀齿的后角或加大倒锥度)的方法，以减少切削扭矩和摩擦扭矩，增大容屑空间，改善攻丝的切削性能。另外，钛合金攻丝前的底孔直径一般应大于标准值，而且底孔的表面粗糙度应达到Ra3.2m 。刀具材料和几何参数选橄丝锥材料选用M2Al、M42高速钢。丝锥几何参数为：前角g0=58，后角a0=810，丝锥校堆段齿背圆柱刃带b