钛合金材料高效切削工艺性能研究

                                               
                                                                钛合金材料高效切削工艺性能研究

     钛合金被视为“全能金属”，具有比强度高、耐腐蚀、热稳定性等特性，是高机动性装备，轻量化制造的优选材料之一。但钛合金的切削性能比较差，通过对其性能剖析和原理试验，在合理选择刀具，优化切削参数等方面进行攻关，最终实现对钛合金材料的高效数控加工。


    钛合金具有优良的力学性能和物理性能，广泛应用于航空、航天、舰船、军工和医疗器械和其它民用领域，如钛合金 TC4（化学成分 Ti-6Al-4V），在陆军装备高机动性、耐高温、轻量化制造方面得到推广应用。因此，通过对钛合金材料的机理研究和加工试验， 制定高效切削工艺方案，解决其切削难度大、数控加 工效率低的问题。

钛合金不仅具有重量轻、强度高、热稳定性、无磁性的优良性能，而且在酸、碱、海水和大气等介质中耐腐蚀等显著特性。  
 

 

   1）比强度高（σb/ρ）。钛合金密度为 4.52g/ cm3 ，约为钢的 57%。其机械强度却与钢相当，具有高强度，通常抗拉强度为（686-1176）MPa。其中 TC4 抗拉强度 Rm 约为 1262 MPa。

 

  2）硬度较高。钛合金（退火态 M）的硬度可达 （32 ～ 39）HRC，其硬度对切削加工影响较大。

 

  3）高温和低温性能优良。在高温下，钛合金能保持良好的机械性能，其耐热性高于铝合金，在 （300 ～ 500）℃温度下的强度比铝合金约高 10 倍， 新型耐热钛合金可在（550 ～ 600）℃下长期服役 ；在低温和超低温（-100 ～ -253）℃条件下，仍能保持其力学性能，又是一种重要的低温结构材料。 

 

 4）抗腐蚀性强。钛在 550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在大气、海水、 硝酸等氧化性介质及强碱中，钛合金耐蚀性优于多数不锈钢。 

 

 5）化学活性大。钛与大气中的 O、N、CO2、水蒸气和氮气等产生强烈的化学反应。当含碳量大于 0.2% 时，在钛合金中形成硬质 TiC。温度较高时，与 N 作用，也会形成 TiN 硬质表层。在 600℃以上时， 钛能吸收氧形成硬度较高的硬化层。钛合金吸收气体而产生硬脆表层的深度可达（0.1 ～ 0.15）mm，硬化程度比原来基体硬度高（20 ～ 30）%。钛合金的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生“粘刀”。 

 

6）热导率很低。钛的热导率为 15.24W/m · K，是铁的 1/5，铝的 1/4。而各种钛合金的热导率更低， 一般为钛的 50%。TC4 的 k 为 7.95 W/m · K。刀具刃口处切削热不易传出，刀刃磨损加剧。 

 

7）弹性模量小。钛合金（退火态 M）的弹性模量 E 为 110GPa，约为一般钢材的 1/2，切削时径向力易使工件产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损， 也对零件精度造成影响。
 

                                                                                                                        钛合金切削的特点

                             

   钛合金加入高强度、高硬度合金元素，添加元素愈多，愈难于切削加工。钛合金的最适宜的切削加工硬度范围为（32 ～ 38）HRC ，在硬度高于 38HRC 时， 刀具磨损严重，切削加工困难 ；低于 32HRC 时，易出现粘刀现象，也不易切削。钛合金材料难于切削加工，除了与硬度有关，还因其具有热导率系数小、化 学活性大和弹性模量小等特性，导致其切削加工性能极其恶劣。 

 

 

  2.1 变形系数小 

切削钛合金的切屑变形系数略小于 1 或接近于 1。其塑性变形小和切屑收缩率小，高温切削时，钛由 α 相向 β 相转变，而 β 相钛的体积增大，引起切屑在前刀面滑动摩擦路径增长。在高温作用下，同时钛屑吸收空气中的 O、H 和 N，塑性降低，切屑不 再收缩，从而加速刀具磨损。
 

 

  2.2 切削温度高 

钛合金由于热导率低，切削热传出困难，致使切削区温度增高。在相同的切削条件下，其切削温度比 45 钢高将近 1 倍。还因其塑性变形小，切屑与前刀面接触短，切削热集中于切削刃狭小区域内不易传出， 造成刀具升温，刀刃磨损加快。 
 

 

 2.3 易形成硬脆表层 

钛合金的化学活性大，在高温切削时，钛吸收 N、 O 等气体而产生硬脆表层。在切削过程中，产生切屑经过刀具前刀面，并与前刀面紧密接触而形成粘结层 (a) ；在切削过程中，在主切削刃附近会形成平行于切削刃的一系列的月牙洼 ；严重时，距主切削刃一定距离内的刀具材料被剥离，形成凹坑 (b) ；因切削力的 波动，导致刀具的刀尖部分发生微崩刃现象（c） 。
 

  2.4 切削力大

切削钛合金的主切削力比切削一般钢材小 20% 左右。钛合金在切削过程中通常形成锯齿状切屑， 可引起切削力随时间的周期性波动。由于刀具与切屑的接触的长度极短，使单位面积上的切削力却增加， 容易造成刀具崩刃或局部崩刃。 

 

  2.5 刀具易磨损 

 钛合金毛坯经过锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，切除硬皮是加工钛合金的一大难点，极易造成刀具磨损。用硬质合金刀具加工钛合金，对刀刃的磨损形貌主要有三种 ：粘结层 (a)、月 牙洼 (b) 和微崩刃 (c)。
 

 合理选择切削用量，是攻克钛合金高效切削加工必备条件之一。钛合金 TC4 是当前使用广泛的钛合金之一，约占 75% ～ 85%。以 TC4 锻件为研究对象， 选择硬质合金刀具并在数控车床上进行实验，车削过程中的切削力采用压电式测力仪测量。 

 

 3.1 切削速度 

在进给量 0.12mm/r、切深 1.0mm 条件下，切削 TC4 锻件，得出进给抗力 Fx 随着切削速度的增加而逐渐增加 ；切深抗力 Fy 和主切削力 Fz 随着切削速度的增加先降低后增加 ，但波动变化相对较弱。
 

 3.2 进给量 

 在切削速度50 m/min和切削深度1.0 mm条件下， 当进给量小于 0.13 mm/r 时，主切削力 Fz 随着进给量的增加而增加 ；进给量为 0.097 mm/r 时，进给抗力 Fx 明显减小 ；进给量为 0.084 mm/r 时，切深抗力 Fy 也明显减小。当进给量从 0.13 mm/r 开始增加时， 切削力的波动量减弱 ；由于高切削温度引起的工件材料的软化，导致进给抗力和切深抗力的降低，进给抗 力变化尤为明显。因此，切削 TC4 锻件切削力随着进给量的变化趋势 ，
 

 3.3 切削深度 

在切削速度 50 m/min 和进给量 0.12 mm/r 条件下，在小切削深度下，刀尖圆弧不能够完全参与到切削过程中，当切削深度小于 0.8 mm 时，出现切削力的急剧增加。当切削深度在（0.8 ～ 1.0）mm 时，由于较高的切削温度提高了工件材料的高温软化率，导致切削力明显的降低。在切削深度超过 1.0mm 时， 三个方向的切削力随切深增加而增加。当切深继续增加时，主切削刃长度随之增加，切削热的散热面积也相应增大，切削温度随切削深度增加变化不大，刀具前刀面的积屑瘤对切削力影响也不明显。因此切削 TC4 锻件时切削力随着切削深度的变化趋势，

 

 

    总之，切削钛合金材料时，随着切削速度、进给量和切削深度的增加，单位时间的切削量和刀具表面粘结钛合金材料等条件会发生改变，最终将引起切削钛合金的切削力随着切削参数的变化而发生改变。因此，根据切削力的变化，合理选择切削用量，从而提升对钛合金的数控高效切削。 
 

 

 

选择硬质合金刀具（山高 刀具材质 F40M），在刚性好、精度较高的数控机床上，对钛合金 TC4 锻件分别进行车、钻、铣等机加试验，得到切削钛合金的参数范围为 ：切削速度 Vc=（25 ～ 75）m/min， 进给量 f ≤ 0.3mm/r，切削深度≤ 1.0mm。具体如何合理选择切削用量，

 

                                                                                  数控加工钛合金刀具用选

 

   钛合金按其退火组织可分为三类 ：α 相、β 相 和 α+β 相。α 钛合金的切削性能相对较好，α+β 钛合金次之，β 钛合金最差。由于 TC4 材料力学性 能优良，工艺性能较成熟，故针对 TC4 进行研究， 探索适合切削钛合金的刀具材质和刀具几何参数等工艺系统，实现对钛合金的高效数控切削。

 

   5.1 切削钛合金的刀具材质 

 切削加工钛合金时，应选用硬度高、耐磨性好、 抗弯强度高、热导率高和与钛合金亲和作用小的刀具材质。通过试验，发现硬质合金是当前比较适合加工钛合金的刀具材质，性价比高。应选择添加 TaC 或 NbC 的 YG 类细晶粒或超细晶粒硬质合金，牌号有 YS2T、YG813、YG6X 等。涂层选择 TiAlN、TiAlSi 和 TiAlN+CrC 涂层及金刚石涂层。如图 6 所示。
 

  5.2 切削钛合金刀具的几何参数 

一般选前角 r0=5°～ 15°，后角 α0 ≥ 15°，主、 副偏角、刀尖半径等的选用，要根据粗、精加工条件， 以及数控加工时工件表面粗糙度 Ra 的要求等进行选 择。具体见表 4。

                                                                                                 切削钛合金的切削液
 

   试验得出，在加冷却液润滑、湿切的条件下，可提高刀具耐用度和加工效率。为了降低切削温度，应在切削区浇注大量以冷却为主的切削液。对切削液的热导率、比热、热容量、汽化热、汽化速度、流量和流速要求较高。一般是水比油的热导率高 3 ～ 5 倍，比热大 1 倍，汽化热大约 10 倍，故水溶性和冷却性能较好。在数控车削、铣削和钻削时，常采用乳化液或采用添加极压添加剂（含 S、P 和 Cl）水溶液 。极压水溶液的配方是 ：氯化脂肪酸、聚氯乙烯0.5% ～ 0.8%，磷酸三钠 0.5%，三乙醇胺 1% ～ 2%， 亚硝酸钠 1.2%，其余为水。
                                                                                                  数控加工钛合金的注意事项

 

  1）在所有数控加工过程中，尤其粗加工，在条件允许时加切削液，有助于刀具降温、润滑及吹屑， 尽量避免干切削。 

 

 

  2）用端铣刀铣削平面时，数控加工优先选择顺铣 (a) 和不对称 铣 (b)， 不对称铣的偏心距 ae=(0.04 ～ 0.1)d(d 为刀具直径 )。对个别普通机床丝杠螺母间隙大，镶条松，不利于顺铣时，可以采用逆铣（c）方式加工，但适当调整切削参数

 

 

  3）数控加工时，进给量对工件加工表面粗糙度影响最大，其次是切削深度，最次是切削速度。工件表面粗糙度随进给量增加而增加，随着切削速度和切削深度的增加均减少。

 

  4）切削钛合金材料，减小径向力使工件产生的弯曲变形，降低振动，保证零件精度，应选择刚性好的设备和刀具等工艺系统 ；同时尽量减小对工件的夹紧力，使夹紧确保工件的相对位置即可。 
 

 

   钛合金材料在军用装备领域应用愈来愈广。针对其较难切削加工的机理特点，根据工件形状等技术要求，在优先选择数控加工机床和工件装夹等工艺系统的基础上，通过合理选择刀具材料、刀具几何参数、 切削液及切削用量等手段，并采用试切的方式，实现对钛合金材料的高效加工。

 

 

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