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钛合金薄壁件车削加工的研究
  2008年05月11日

摘要:传统的钛合金车削加工因其切削速度低,刀具耐用度低,加工质量难于控制,导致加工效率低。经多次钛合金车削加工试验、优选了刀具材料,确定了刀具几何参数,依据刀具磨损情况,提供了较为合理的切削数据。解决了钛合金薄壁件加工变形问题。
某航空发动机易损件图(略) ,最小壁厚为2mm,总长400mm,是一个典型长薄壁件。技术要求较高,孔径公差为0.046,外圆公差为0.03,表面粗糙度Ra为1.6。为保证壁厚差,孔与外圆必须同轴,加工难度较大。材料从俄罗斯进口,牌号为BT20,屈服强度和抗拉强度sb=90~110kg/mm2,比TC4难加工。磨削钛合金易阻塞砂轮,烧伤已加工表面,因此只能采用车削,以车代磨。
表1 切削钛合金选用的刀具材料
牌号 ISO HRA sbb
YG3X K01 91.5 110
YG6A K10 92 140
YG6X K10 91 140
YG8 K30 89 150
YG8W K25 92 200
YG813 K20 91 160
YG643 K05 93 150
YG10HT K30 92 220
YL10.2 K35 HV1600 220
YS2T K30 91.5 180
YD15 K01 91.5 170
Y310 K05 92 125
Y320 K20 91.5 180
Y330 K30 90.3 200
YM051 K10 92.5 162

1 刀具材料及几何参数的选择

钛合金导热性能很差,为45号钢的1/6~1/7。选择刀具材料时,要考虑刀具材料的导热性能,YG类优于YT类。切削钛合金产生单元切屑,变形系数近似为1,刀屑接触长度很短,切削力集中于刃口附近,单位切削力大,易崩刃。要求刀具材料韧性要好,sbb>150kg/mm2,钛合金化学性能活波,易与空气中的氧和氮产生硬脆化合物,加快刀具磨损;钛与刀具中的元素易亲合,加工钛合金使用的刀具材料要少钛或无钛元素。优选YG类硬质合金,不是用YT类硬质合金。切削钛合金使用的刀具材料件见表1。
钛合金弹性模量小,为45钢的1/2,加工变形大。刀具后角要大些,取a0=15°~18°,减少加工表面与后刀面间的摩擦。前角也要选大些g0=10°,刀具锋利,减小加工变形,降低加工硬化,提高已加工表面质量。主偏角kr=90°降低径向力,防止振动。刀尖圆弧半径决定刀尖强度、散热及磨损,不易过大,re=1~2mm合适。切削钛合金,刀具必须锋利,钝刀不能进行切削。刀具钝圆半径必须小,也就是选用细晶粒材料,才能使钝圆半径降低。同时,使刀具材料硬度提高,而韧性不下降。提高刀具刃磨质量,用金刚石、立方氮化硼砂轮磨刀。前后刀面粗糙度Ra≤0.1µm,降低切屑与前刀面。工件与后刀面间的摩擦。刃口要平直,无锯齿,减轻崩刃磨损。

2 切削用量

粗车钛合金目的是去除大的余量,应保证较大的刀具耐用度。VB=0.4mm,切削速度不高,一般V≤35m/min,刀具耐用度T=60min,切削刃度ap≤4mm,走刀量f≤0.24mm/r,且加大流量溶液冷却。精车钛合金目的是保证尺寸精度和表面质量,一般ap≤1mm,磨钝标准VB=0.2mm,尽量采用高的切削速度和必要的刀具耐用度,切削速度35m/min≤V≤140m/min,刀具耐用度T=30min。用机油冷却润滑,降低刀屑间的摩擦系数,提高已加工表面质量。车削用量如表2所示。
表2 切削参数
NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
V(m/min) 13.2 14 21.1 23.3 30 31.7 35 37.7 40 45.2 45.8 50.2 69.9 70.7 76.4 89.4 111.8 127.2 130.2 141.3
f (mm/r) 0.24 0.24 0.24 0.24 0.2 0.2 0.2 0.16 0.12 0.16 0.1 0.2 0.13 0.13 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
ap (mm) 3 3 3 3 2.5 2.5 2.5 2.5 1.5 1 1 1 0.5 0.5 0.5 0.5 0.3 0.3 0.3 0.3

3 刀具磨损原因及刀具耐用度

加工钛合金,刀具磨损发生在后刀面和刀尖处。钛合金弹性模量小,切削时回弹大,后刀面与加工表面接触面积大,加速了摩擦。显微镜下可看到犁沟。刀尖处散热条件差,温度较高,磨损严重。尤其是精车时,后刀面磨损量没有达到磨钝标准时,因刀尖磨损过快,使刀具丧失切削性能。前刀面看不到明显磨损痕迹,原因是刀屑接触长度短,磨损的主要形式是崩刃和微崩刃。显微镜下可看到锯齿形刀刃。加工钛合金粘刀现象十分严重。无论是高速切削还是低速切削都有粘刀问题。干切削更为明显。
粘结磨损是加工钛合金的主要磨损原因。当切削速度较高时,切削温度达600℃以上时,扩散磨损占的比例较大。空气中的氧氮与钛合金反应生成硬脆化合物加剧了刀具的磨料磨损。因此加工钛合金刀具磨钝标准定得较低,刀具耐用度较低,而切削速度还是比较低的。具体数值见表3。
表3 刀具耐用度与切削速度
VB(mm) V(m/min) T(m/min)
0.2 50~140 30
0.3 35~50 60
0.5 20~35 90
0.6 >20 120
YG类g0=10°,a0=18°,干切削,湿切削时,T加倍

4 零件加工工艺及表面质量

使用的车床功率要大,主轴回转精度要高,进给机构无爬行。刀杆刚度足够。零件装夹要牢固。例如:车Ø74外圆时,中部用中心架支撑,提高了装夹刚度,降低了长径比。加工顺序为:先加工Ø65里孔,后加工Ø74外圆及空刀处。里孔可用单刃镗刀切削,让刀量大。改用浮动镗刀效果较好,里孔达到尺寸精度后,用卡盘与顶尖装夹车外圆,孔中放置减震材料。刀具必须锋利。一旦振动,立即换刀车去振源。用塑料胀胎夹具加工外圆效果较好。镗孔速度不易过高,V=20m/min较好。控制回弹量。最小切削深度0.05mm。当ap太小时不能形成连续切屑,容易产生振动。夹持刚度较好时,车外圆ap=0.01可行成连续切屑。切削钛合金只要不振动,表面粗糙度Ra1.6µm是可以达到的。刀具锋利,表面质量也较好。
使用锋利的硬质合金车刀切削钛合金,加大流量润滑液冷却润滑。切削速度V≥100m/min时,车外圆表面粗糙度可达Ra0.8µm,已加工表面硬化较轻,残余应力较小。比较高的尺寸轻度容易获得。ap=0.005mm时,可形成连续柔软的切屑,达到磨削的尺寸精度和粗糙度。镗孔有一定的难度,主要原因是:机床、夹具、工件和刀具组成的工艺系统刚度不足。一旦振动,孔壁质量立即下降。粗糙度Ra1.6µm还是容易达到的。

5 结论

钛合金薄壁件车削加工比铣削容易些。车削为连续切削,没有冲击。切屑为单元切屑,不存在断屑难的问题。钛合金弹性模量小,屈强比大;切削时弹让大,需变形能大。选择刀具材料硬度要高,韧性要好,sbb≥200kg/mm2,且不含TiC。刃口要锋利,后角要大,钝圆半径要小。避免使用钝刀切削。钛合金既硬又韧,导热又差;粗车时,保证必要的刀具耐用度,确定切削速度;精车时,为完成以车代磨,尽量采用高速切削;可降低表面粗糙度,减轻已加工表面加工硬化和残余应力。提高机床、夹具、工件和刀具组成的工艺系统刚度,可解决钛合金薄壁件车削加工变形问题。
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