钛合金加工特性分析及刀具选择

1、钛合金加工特性分析及刀具选择58钛合金加工特性分析及刀具选择_丁:具技术陈爽,张葆青,闫石中国工程物理研究院摘要:钛合金因其性能的优越性,在航空,航天,石油,化工,汽车和核武器事业等生产领域得到了广泛的应用,但在数控加工钛合金过程中,存在切削效率低下,刀具耐磨性差,切削排屑困难等加工难题.本文通过多次加工试验和研究,总结出了一套加工钛合金的方法,取得了较为理想的切削效果.关键词:钛合金;变形;切削参数;刀具中图分类号.TGI75.3文献标志码:AAnalysisofMachiningProcessforTitaniumAlloyandToolSelectionChenShuang,ZhangB

2、aoqing,YanShiAbsWa:Fortheperfornlanceofthesuperiorityintheairandspace,oil,chemicals,capsandthecauseofnuclearweapons,titaniumalloyhasbeenwidelyused,butinnmnericalcontrolprocessing,ithassomeprocessingproblemssuchaslowel-ficiency,badabrasionresistanceofcuttingtools,andchipremovalproblem.Thispaperdevelo

3、pmethodologiestoprocesstitaniumalloyaftermanytestsandresearches,anditachievesgoodeffects.Keywords:titaniumalloy;defomlations;cuttingparameters;cutters1引言2钛合金简介由于钛合金具有比重小(密度是4.4kg/m3),比强度与热强度高,热稳定性和抗腐蚀性好等优点,可以显着减轻产品重量,提高推重比,结构的抗热能力和可靠性,所以在航空,航天,石油,化工,军工等部门得到广泛应用.但是其性价比较差,特别是铣削,钻孔,攻丝和镗孔的效率很低,这在很大程度上制约

4、着钛合金产品的加工质量和生产效率.随着钛合金材料应用的不断推广和加工要求精度的日益提高,有必要对其进行深入研究.本文分析并讨论了在工艺研究生产过程中所遇到的问题,以便于加工人员更加了解此种材料的加工方法和刀具的选择.收稿日期:2010年11月钛合金是利用钛在不同温度下形成的两种不同组织结构,加入不同种类数量的元素,使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到的.钛合金是同素异构体,在低于882C时呈密排六方晶体,称为a钛;在882C呈体心六方晶体,称为8钛.随着添加其他合金元素的种类,数量不同,相变,温度及相分含量也逐渐改变,从而得到不同的钛合金,室温下可分为a,(a+l3),p型三种基本组织.各组织

5、对应的典型牌号分以下几类:a钛合金TA6一TA8,此类材料容易切削;p钛合金TB1一TB3,此类材料很难切削;+3钛合金TC1一TC11,此类材料较难切削.5结语模样和原型的切削加工.本模式把具有多样性的切削条件的复杂表面,离散处理为几种便于实施高速切削的特征表面.在此基础上,进一步处理为有利于高速切削的等高面刀具路径.因此,能够在具备高速切削功能的机床上应用高速切削刀具实现复杂表面的高速切削.本模式模块化的要点是用大量的工具模块处理模块式的制造对象,显着地提高了切削准备过程的效率.这样就把多样性加工问题转化为简捷,高效的模式化过程.本模式最适合于大型铸锻件,汽车覆盖件参考文献1王永明.复杂表

6、面的等高分割铣削J.新技术新工艺,2004(9).2王永明.等高分割模块化技术J.铸造,2007(4).3刘力健,王永明.复杂轮廓的分割铣削与模块化夹具J.工具技术,2008(10):125127.作者:刘力健,教授,石家庄职业技术学院,050081石家庄市Author:Liuian,Professor,ShijiazhuangVocationalTechnologyInstitute,siazhuang050081,China2011年第45卷No4表1常用切削钛合金的刀具材料牌号抗弯强度(MPa)硬度HRA()刀具种类YG6132O91车刀,镗刀,铣刀,钻头,铰刀YG8174189车刀,镗

7、刀,铣刀,钻头,铰刀,螺纹刀具Y33O196090.5铣刀,钻头,铰刀W12CI4V4Mo32006667车刀,铣刀,钻头,铰刀,丝锥W12Mo3Cr4V3Co5Si284433346669车刀,铣刀,钻头,铰,螺纹刀具W6M05Cr4V2AJ45l】一46096569车刀,铣刀,钻头,铰刀,螺纹刀具,短锥W1OM(4CI4v3Al24523138666q铣刀,钻头,铰刀W2iVl09Cz4VC08176523546669车刀,铣刀,螺纹刀具,丝锥2.1影响钛合金切削加工性的因素钛及钛合金的切削加工,从切削的刀具耐用度,加工表面的质量及切屑形成和排屑的难易程度等方面来衡量,钛及钛合金属难加工材

8、料.钛及钛合金的切屑加工性比奥氏体不锈钢差,退火或固熔处理的钛合金切削加工性低于高温合金,而经过时效处理后的钛合金切削加工性和高温合金差不多.导致钛合金切削加工性较差的原因主要有以下几个:(1)导热,导温系数小,切削温度高.钛合金的导热系数平均是工业纯钛的一半,导温系数分别为铁和铝的1/4和1/16.因此在相同的切削条件下,钛合金的切削温度比45钢高1倍以上.(2)切削变形系数小,单位面积上的切削力大.钛合金的切削变形系数小于1或接近1,钛合金切屑被主切削刃切离后,立即向上翻卷,使切屑与刀具前刀面接触减小,刀具单位面积上所承受的压力要比一般钢材大得多,导致切屑温度急剧上升.(3)化学活性大.钛

9、合金在300oC以上非常容易与刀具材料"亲和",易产生表面变质污染层,导致表层硬度和脆性上升,易使刀具产生缺口,崩刃,剥落等现象,这样就增加了磨刀次数,延长了停机时间和机床调整时间,降低了生产率.(4)粘刀现象严重.钛合金材料的粘刀现象严重,极容易产生积屑瘤,将引起工件尺寸变化,影响到产品装配质量,甚至会导致零件报废.2.2刀具材料的选择切削加工钛合金的刀具材料,要求抗变强度高,硬度高,韧性好,热硬性好,耐磨性好,还要散热好,绝对不能用含钛的刀具材料,因为含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲和,加剧刀具磨损.切削刀具要求刀面表面光洁,刃口锋利.对多刃刀具,应控制切削刃的跳

10、动量,常用切削钛合金的刀具材料见表1.593钛合金零件加工工艺研究钛合金作为一种难加工材料,其加工难点主要由材料特性决定.在加工中需要根据具体物理特性合理选择刀具,制定合理的走刀路线和工艺方案,以达到最佳的切削效果.考虑到钛合金加工中的共性,现将切削方式概括为车削,铣削,钻孔,攻丝和镗孔四种,并分别对其加工特点及工艺进行论述.3.1车削(1)车削刀具材料的选择加工钛合金时,不宜选用YT硬质合金刀片,因为YT类硬质合金刀片中含有钛,它会与被加工的钛合金发生亲和作用,粘掉刀尖;而且车刀与切削件的接触远比加工钢件时候小得多,作用在车刀被接触面积上的单位切削力较大,由于YT类硬质合金比较脆,因此容易崩

11、刃.所以一般生产中均采用YG类硬质合金刀片,通常在粗车和断续车削时采用YG8刀片,精车和连续车削时使用YG3刀片,一般加工则用YG6X刀片.在低速切削或者切削复杂型面时,可采用高钒高速钢或高钴高速钢刀具,它们是加工钛合金最好的刀具材料.具体可参见表2.表2不同牌号刀具的标准及性能牌号Is0HRAhh(MPa)YG3XK0191.511OYG6XK1091140YG8K3089150YG8WK259220oYG813K209116oYG643K0593150YG1OHTK3092220YS2TK3O91.5l80YD15KD191.517OY3l0K0592125Y32OK2(】91.5180Y

12、330K3O90.3200YMO51K1O92.5162(2)车刀几何角度的选择由于钛合金在切削加工中,会和空气中的氢,氮,氧等形成脆性化合物,造成刀具磨损(主要发生在车刀的前刀面上),因此应该采用较小的前角;此外,钛合金的塑性较低,切屑与前刀面的接触面积小,为此也应该采用较小的前角.这样可以增加切屑与前刀面的接触面积,使切削热和切削压力不至于过于集中在刃口附近,既有利于散热,又加强了刀具刃口的强度,能避免因切削力集中而产生崩刃.因此,用硬质合金加工钛合金时,前角rn=80.一100.,刀尖磨成R:0.5mm的小值圆弧角,刃倾角=+3.车刀后角.是所有刀具参数中最敏感的,因为切削层下的金属弹性

13、恢复大和加工硬化大,一般采用大后角可以使刃口易于切人金属层,减小后刀面的磨损,但是后角过大,刀具的强度又被减弱,刀刃容易崩碎.因此大多数切削钛合金的车刀都采用刀刃比较锋利的15.车刀并可降低切削速度.具体看来,一般车削钛合金时,外圆车刀的几何参数女口下:厂=0.30.7nml,ro=80.一100.,0:15.,=2.,=45.一75.,/t7:15.,刀尖圆弧半径=0.5mm一1.0nma.(3)车削用量的选择表3切削速度和进给量之间的匹配关系进给量_厂(1lqm/r)切削速度(m/rain)O.08一O.128769O.130.1771590.18一O.2462510.250.305347

14、O.330.4048410.450.6O4235工具技术的刀具耐用度,切削速度35m/rainV140m/rain.采用机油冷却润滑是为了降低刀屑之间的摩擦系数,提高已加工表面质量.车削用量匹配关系如表3所示.3.2铣削(1)铣削刀具的选择刀具是影响钛合金铣削加工质量的非常重要的因素,切削刀具材料的正确选择将是实现钛合金高效铣削加工的重要保障.刀具硬度及热硬性越高,刀片刃口越锋利,刃口切削温度越低,越不易粘刀及形成硬化层,刀具寿命越高,抗边界磨损的能力越大.刀具角度宜选用较大前角,以增加刀具锋利程度.不同的刀具和刀具材料所对应的几何参数也应有不同,具体见表4.(2)走刀方式的选择对于端面铣削加

15、工中应采用顺铣的走刀方式,使用两倍于工件宽度的面铣刀.这样可以使面铣刀中心偏离工件中心形成顺铣走刀方式,并保证刀齿切出口处切削厚度最小.这样可明显提高刀具耐用度,减小表面粗糙度值.图1为面铣刀单齿刀片在切人工件及切出工件时的示意图.面铣刀单齿刀片切入时,刀片切削厚度大,刀尖刃口深人工件,避开了钛合金表面易形成的表面硬化层,而刀齿切出口处切削厚度最小,又使刀尖刃口避开了钛合金已加工表面产生的较大回弹,避免了崩刃现象,切削比较平稳,减小了表面粗糙度值.而现在的数控加工中心进给丝杠与螺母无间隙,也为采用顺铣走刀方式提供了方便.粗车目的是去除大的余量,车削用量应该保证堂刀具的耐用度.切削速度一般为15

16、55m/min,切削厚度<4mm,走刀量_厂0.24rnm/r,且应该加大冷却液流量.精车的目的是保证尺寸精度和表面质量,一般nlmm,尽量采用高的切削速度和必要J单齿片切入点J单齿J片切削区域工件片切出点图1面铣刀单齿刀片的加工示意图刀具材料类型前角轴向前角径向前角主偏角后角副后角负偏角刃倾角螺旋角高速钢车刀6.一12.45.一9O.5.一8.5.一15.oo一5.硬质合金车刀3.一7.45.一90.5.一8.15oo.一5.端铣刀()c5.一8.13.一17.12.一60o8ol2.5.一8.6.一l0.硬质合金立铣刀IO.一l2.l2.5.一8.3.一5.30.高速钢立铣刀

17、15.一18.6.一10.1.一l0.35.一45.高速钢盘铣刀【)c10.2011年第45卷No4对于型腔铣削,同样应采取顺铣的走刀方式.但在切削过程中,不允许刀具中途停顿,切削结束,立即退刀,以免形成坚硬的氧化皮加速刀具磨损.对于加工中心可采用圆弧进刀和圆弧退刀的方法,减小刀具在某一点的停留时问.如果零件是钛合金铸件,可将铸件酸洗后喷砂,以去除硬度很高的氧化皮,这样能提高刀具耐用度和零件表面质量.(3)切削方法的选择钛合金的强度高,粘性大,切削中更容易在切削区产生和积聚热量.加之导热性差,在大切除量的铣削时,有引起燃烧的可能,这就是铣削钛合金零件一定不能选择高切削速度的原因.采用小径向切人

18、法切削钛合金零件能极好地控制切削温度,实现高速加工.小径向切深不会带来高金属去除率,在工厂中使用该方法,可以提高加工精度.当径向切削深度小于直径的25%时,能提高50%的切削速度,一般超过用于重切削时的额定速度;当径向切削深度小于直径的10%时,可提高约一倍的切削速度.3.3钻孔由于钛合金弹性回弹大,故当钻头刀尖接触工件时,刀尖与工件接触面积增大,使刀尖受轴向力增大,刀尖易造成磨损和破损.钻头进入工件后由于钛合金的径向弹性收紧及导热性能差,使钻头受较大径向及轴向力,普通钻头易出现加工困难,磨损加剧的现象.钛合金化学活性高,在高温高压下加工,与刀具材料起反应,形成溶敷,扩散而成合金,造成粘刀具,

19、切屑不易排出,往往产生钻头被咬住,扭断钻头等现象.选取专用钛合金加工的高速钢钻头,通过增厚钻芯和尽量减小其长度的方法提高刚性.对于数控加工可使用深钻固定循环指令,使钻头钻人lmm1.5mm后即退刀,再钻后再退刀,以改善散热,润滑条件及减小弹性力.不允许钻头不进给而在孑L内打转,以免引起加工硬化.实际加工中测得孔径一般都比钻头直径小0.1InlTl左右,这也是钛合金材料特性的表现之一,因此钻孔时可使用比标注直径大0.1mm左右的钻头.钻孔前需用中心钻点中心孔,并在对刀机上检查钻头端部,控制刀刃跳动量小于0.02ram.3.4攻丝钛合金攻丝加工,特别是sJ,L攻丝加工是很困难的.其主要原因是由于钛

20、合金导热系数低,在攻丝加工过程中,切削区形成高温,造成钛合金热膨胀.另外,钛合金加工后回弹大,孔壁挤压丝锥,甚至将牙型面包住,丝锥不能转动,否则丝锥将折断.61具体可以通过以下两种途径得以解决.(1)改进丝锥结构形式用于钛合金加工的丝锥刚性较高,丝锥同被加工材料的接触面较小.将锥芯增粗和减小各段丝锥切削刃宽度或使用跳牙丝锥可以提高刚性及减小与被加工材料的接触面积.另外,螺旋槽能增加丝锥锋利程度,减小切削力,避免丝锥折断,提高加工质量;并有利于排屑,使钛合金屑可以沿螺旋槽排至工件外,避免丝锥卡死,改善加工条件;使冷却液能够较容易进入切削区,改善丝锥冷却及润滑性能等优点.经加工中证实,使用螺旋槽的

21、机攻丝锥在加工中心上攻M3以上的螺孔使取得满意效果.(2)对螺纹底孔设计提出公差要求在满足螺纹精度要求的前提下,螺纹底孔尽量加工到螺纹小径的上差,如有必要钻孔后可以铰孔,以满足公差要求.钛合金材料钻孔时需使用比底孔直径大0.1mm左右的钻头,以抵消回弹量.同时需使用锋利的钻头钻底孔,减小螺纹底孔的表面硬化层.在加工中心上攻螺TLnC,需使用浮动攻丝夹套,以抵消主轴与进给的协调误差,并在攻丝前将底孑L端部进行倒角,加强丝锥进入时的准确性.攻丝时可选取较慢转速,以保证切削平稳.3.5镗孔由于镗刀杆相对刚性较差,镗孔时容易发生让刀现象,不易保证孑L的精度.高速镗孑L时,孔的内壁会产生鱼鳞状振纹,影响

22、孑L的精度及表面粗糙度,钛合金镗孔精度较难保证,特别是较sJ,4L.为了克服这些缺陷,需严格控制机床转速及进给速度.在满足加工要求的前提下,尽量选取粗的镗刀杆,以保证切削平稳,消除振动.需注意的一点是每次镗削深度不应完全相同,特别是最后一刀前不应留小于0.03ram的余量,以免形成表面硬化层,需再镗削时造成尺寸超差.钛合金壳体零件在以上的几种加工方式中,下列两点需注意:(1)攻丝和钻削加工时使用的冷却液相同,但最好不要使用含氯冷却液.因为在切削过程中,切削液在高温下分解释放出氯气,被钛吸收后引起氢脆,同时,氯还可能引起钛合金高温应力腐蚀开裂.钻削浅孑L时,可使用电解切削液;钻削深孔时,可用N3

23、2机械油加煤油,配比是3:1.5,也可用硫化切削液.适当配置钛合金加工的冷却液可延长切削刀具的寿命;(2)禁止使用低熔点金属及其合金(铅或锌基合金,铜,锡和镉及合金)制作的工装,夹具或临时紧固件.与钛合金接触的工装,夹具或其62内螺纹数控铣削原理及应用工具技术刘斌,崔元萍,李军格,罗正华中国工程物理研究院摘要:根据产品螺孑L实际加工需求,提出了应用加工中心铣削螺纹的方法,介绍了整体硬质合金螺纹铣刀切削螺纹的原理,并根据铣削要求选用了螺纹铣刀,生成了G代码加工程序,满足了产品实际加工需求.关键词:内螺纹;铣削原理;刀具;编程中图分类号:TG659文献标志码:AElementsandApplica

24、tionofScrewNumericalControlMiningLiuBin,CuiYuanping,LiJunge,LuoZhenghuaAbstract:Basedonscrewmachiningdemand,thepaperbringsthemethylofmiUingscrewapplyingmachiningcenter,introducestheprincipleofcuttingscrewab叫tintegerhorninessalloywormmillingcutter.Selectingwormmillingcutter,creatingGcodeprocessprogra

25、mbased0/1millingdemand.Consequentlytheproductmachiningdemandissatisfied.Keywords:screw;principleofcuttingscrew;millingcutter;pmam1引言图1所示为两端面上各有121个M30×1.57H深l4的螺纹孔,产品材料为45号钢,根据装配需要,各孔螺纹精度一致性要求较高.传统的加工方法是利用丝锥手工攻丝完成,效率低下且随着丝收稿日期:2010年9月锥的磨损,各螺纹孑L精度也无法保证一致.采用三轴联动数控加工中心进行铣削加工,在加工精度,加工效率方面具有极大的优势,整体硬质合金螺纹铣刀的耐用度是丝锥的十多倍甚至数十倍,而且在数控铣削螺纹过程中,对螺纹直径尺寸的调整极为方便.由于螺纹铣削