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为什么钛合金很难加工?

发布日期:2021-06-15 11:23:31浏览次数:72

钛合金制品在金属结构材料中具有很高的比强度。它的强度相当于钢,但重量只有钢的57%。此外,钛合金具有比重小、热强度高、热稳定性和耐腐蚀性好等特点,但钛合金材料切割困难,数控机床加工效率低。因此,如何克服钛合金加工难度大、效率低的问题一直是亟待解决的问题。

数控机床加工钛合金

钛合金加工困难的原因

钛合金导热系数小,加工时切削温度很高。在同等条件下,加工TC4的切削温度是45钢的两倍以上,加工过程中产生的热量难以通过工件释放;合金比热小,加工过程中局部温度上升快。因此,刀具温度很高,刀尖磨损剧烈,使用寿命降低。

钛合金的低弹性模量使加工表面容易回弹,薄壁零件的加工回弹更为严重。后刀面与加工表面之间容易产生强烈的摩擦,磨损刀具和切屑。

钛合金具有很强的化学活性,在高温下容易与氧、氢、氮发生相互作用,从而提高强度,降低塑性。在加热和锻造过程中形成的富氧层使加工变得困难。

钛合金材料的切削原理

在钛合金的加工过程中,刀具材料的选择、切削条件和切削时间都会影响钛合金的切削效率和经济性。

1.选择合理的工具材料

针对钛合金材料的性能、加工方法、加工工艺条件,合理选择刀具材料。刀具材料应更常用、价格更低、耐磨性好、热硬度高、韧性足够。

2.改善切割条件

数控机床夹紧系统的刚度较好。机床各部分间隙调整好,主轴径向跳动小。夹具应足够坚固。刀具的切削部分应尽可能短,当切屑量足以提高刀具的强度和刚度时,应尽可能增加切削刃的厚度。

3.对加工材料进行适当的热处理

通过热处理改变钛合金材料的性能和金相组织,达到提高材料可加工性的目的。

4.选择合理的切削用量

切割速度应较低。由于切削速度对切削刃温度影响很大,切削速度越高,切削刃温度急剧升高。切削刃的温度直接影响刀具的使用寿命,因此选择合适的切削速度。

机械加工技术

1.车削

车削钛合金制品容易获得较好的表面粗糙度,加工硬化不严重,但切削温度高,刀具磨损快。针对这些特点,主要在刀具和切削参数方面采取以下措施:

工具材料:根据情况选用YG6、YG8、YG10HT。

刀具几何参数:合适的刀具前后角度、刀尖圆角。

切削速度低,进给量适中,切削深度深,冷却充分,车削外圈时刀尖不能高于工件中心,否则容易粘刀。精车和车削薄壁零件时,刀具的引导角应较大,一般为75-90度。

2.铣削

钛合金制品的铣削加工比车削加工困难,因为铣削加工是间歇切削,切屑容易与刃口粘结。当粘性齿再次切入工件时,粘性切屑被敲掉,一小块工具材料被带走。碎屑大大降低了工具的耐久性。

铣削方法:一般采用下铣。

工具材料:高速钢M42。

下铣一般不用于加工合金钢。由于机床螺杆与螺母间隙的影响,下铣时,铣刀作用在工件上,进给方向的分力与进给方向相同,容易使工件工作台产生间歇运动,造成刀具碰撞。对于下铣,刀具齿在切削开始时撞击外壳,导致刀具断裂。然而,由于上铣切屑由薄到厚不等,刀具在初始切削过程中容易与工件发生干摩擦,增加了刀具的粘着和切屑。为了使钛合金铣削加工顺利进行,需要注意的是,与普通标准铣刀相比,前角应减小,后角应增大。铣削速度要低,尽量使用尖齿铣刀,避免使用铲齿铣刀。

3.攻丝

钛合金产品攻丝时,由于切屑较小,容易与刀片和工件粘结,产生较大的表面粗糙度值和较大的扭矩。攻丝时,丝锥选择不当,操作不当,容易造成加工硬化,加工效率极低,有时丝锥断裂。

必须优先选用跳齿丝锥,齿数应少于标准丝锥,一般为2~3齿。切削锥角应较大,锥度部分一般为3~4个螺纹长度。为了便于排屑,还可以在切割锥上磨出负倾角。尽量选择短丝锥,以增加丝锥的刚性。丝锥倒锥部分应比标准适当加大,以减少丝锥与工件之间的摩擦。

4.铰孔

钛合金铰孔时刀具磨损不严重,可采用硬质合金和高速钢铰刀。在使用硬质合金铰刀时,应采用类似于钻削的刚性工艺系统,以防止铰刀产生切屑。钛合金铰孔的主要问题是铰孔的光洁度差。必须使用较窄宽度的油石铰刀刀片,以防止刀片粘在孔壁上,但必须确保足够的强度。叶片宽度一般为0.1~0.15mm。

切削刃与校准件之间的过渡应为平滑的圆弧,磨损后应及时磨尖,各齿的圆弧尺寸必须相同;如有必要,可放大校准件的倒锥。

5.钻孔

钛合金加工难度大,数控机床加工过程中经常出现烧刀、断钻现象。这主要是由于钻头刃磨不良、排屑延迟、冷却不良、工艺系统刚性差等原因造成的。因此,在钛合金钻孔时要注意合理的钻头刃磨,增加顶角,减小外缘前角,增加外缘后角,将倒锥增加到标准钻头的2~3倍。经常取出刀具,及时取出切屑,注意切屑的形状和颜色。钻削过程中,如果出现切屑呈羽毛状或颜色变化,说明钻头钝,应及时更换和锐化刀具。

钻模应固定在工作台上,钻模的导向面应靠近加工面。尽量使用短钻头。另一个值得注意的问题是,当采用手动进给时,钻头不应在孔内进退,否则钻头刀片会与加工表面摩擦,造成加工硬化,使钻头变钝。

6.研磨

磨削钛合金零件时的常见问题是粘性碎屑导致砂轮堵塞和零件表面烧伤。原因是钛合金导热性差,造成磨削区温度高,使钛合金与磨料粘结、扩散并发生强烈的化学反应。粘屑和砂轮堵塞导致磨削比显著降低,烧伤工件表面,降低零件的疲劳强度。这在磨削钛合金铸件时更为明显。

为解决这一问题,采取的措施有:

选择合适的砂轮材料:绿色碳化硅TL。砂轮硬度略低:ZR1。

钛合金材料的数控机床切削加工必须从刀具材料、切削液、工艺参数等方面进行控制,以提高钛合金材料加工的整体效率。