特殊材料加工

特殊加工 加工钛合金刀具分析 天涯数控论坛 由于钛合金具有比重小，比强度与热强度高，热稳定性和抗腐蚀性好，可以显著地减轻产品重量，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、造船等部门得到广泛应用，几年来，由于产品结构要求，我们在钛合金的切削加工工艺上进行了一些探索，下面就此作一介绍。 1 钛合金简介 钛合金是同素异构体，在低于882?时呈密排六方晶体，称为a钛，在882?呈体心六方晶体，称为b钛，随着添加其它合金元素的种类、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+ b) 、b型三种基本组织，各组织对应的典型牌号有a钛:TA6,TA8:a+ b:TC1,TC11: b钛:TB1,TB3。 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料。钛及钛合金的切削加工性比奥氏体不锈钢还差，退火或固溶处理的钛合金切削加工性优于高温合金，而经时效处理后的钛合金切削加工性和高温合金差不多。 钛合金切削加工性差主要有以下原因: 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。 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少，刀具单位面积上所承受的压力要比一般钢材大得多，切削温度急剧上升。 化学活性大。钛合金在300?以上高温下极易与刀具材料“亲和” ， 产生严重的粘刀现象。 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，决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，应控制切削刃的跳动量。常用切削钛合金的刀具材料见表1。 表1 常用切削钛合金的刀具材料 牌号 抗弯强度sbb (MPa) 硬度? (HRA) 刀具种类 YG6 1320 91.0 车刀、镗刀、铣刀、钻头、铰刀 YG8 1741 89 车刀、镗刀、铣刀、钻头、铰刀、螺纹刀具、拉刀 Y330 1960 90.5 铣刀、钻头、铰刀、拉刀 W12Cr4V4Mo 3200 66,67 车刀、铣刀、成型铣刀、钻头、铰刀、丝锥、拉刀 W12Mo3Cr4V3Co5Si 2844,3334 66,69 车刀、铣刀、成型铣刀、钻头、铰刀、螺纹刀具、拉刀 W6Mo5Cr4V2Al 4511,4609 65,69 车刀、铣刀、成型铣刀、钻头、铰刀、螺纹刀具、拉刀、丝锥 W10Mo4Cr4V3Al 2452,3138 66,69 铣刀、钻头、铰刀 W2Mo9Cr4VCo8 1765,2354 66,69 车刀、铣刀、成型铣刀、螺纹刀具、拉刀、丝锥 图1 2 钛合金接头切削加工举例 钛合金接头零件结构外形如图1所示，材料为TC4。该零件加工中主要存在以下几个问题: 零件结构较为复杂，工艺性较差，在加工过程中，集中了车、铣、镗、钻等切削加工，刀具基本上是断续切削加工， 对刀具有较大冲击力，易崩刃，刀具寿命短: 加工硬化严重，粘刀，容易产生积屑瘤，刀具磨损严重: 排屑不畅，刀具容易在柄部折断: 加工表面粗糙，达不到设计要求，不利于后续工序基准定位。 加工钛合金接头的主要工艺流程如图2所示。 图2 加工六方外形 加工十字形状 车削工件内外圆弧表面 加工零件两边U形弧槽 刀具选择:切削加工六方外形选用端铣刀，YG8刀片，Ø120刀盘，6个刀片。刀具几何参数为成品角度。 切削参数选择:主轴转速118r/min，进给量47.5mm/min，铣削深度6mm。 切削加工情况:有YG8铣平面，刀具切削轻松，在进刀与工件接触时以及刀具将工件切透时有振动，中间切削过程平稳，使用磨削液。留0.5mm 余量进行精铣，可获得Ra1.6的表面粗糙度。 刀具选择:选用硬质合金立铣刀，刀具材料为Y330。铣刀外径Ø40。 切削参数选择:主轴转速235r/min。 切削加工情况:用Y330加工十字形状，手动横向进给，刀具切削轻松，切削时加磨削液充分冷却。精铣时铣刀底刃修磨R2，后角为10?,12?，并用碳化硅油石修磨使切削刃光滑，工件能得到Ra1.6的表面粗糙度。此时后角的选择，尤其是刀具圆弧面后角的选择至关重要，过大，会在铣削过程中产生振动，容易崩刃，使切削刃产生锯口，加剧磨损:过小，会造成排屑、断屑困难，切屑还会粘刀，后刀面与工件磨擦现象严重，刀具磨损加快。因此正确地修磨后角，可以提高刀具的使用寿命。 刀具材料、几何参数及切削用量的选择如下: 刀具材料为YG8，45?偏刀断续切削，使用磨削液让切削刃冷却。用工装夹持工件，每组加工8件，粗车切削用量V=25,38m/min，f=0.3,0.5mm/r，ap=3,5mm.如加工中间内孔，在连续切削的条件下精车，切削用量V=50,75m/min，f=0.1,0.2mm/r，ap=0.25,0.8mm。 前角g=8?,12?能保证刀具强度。 磨出0.05,0.1mm的负倒棱，增强切削刃强度。 后角a=15?,20?，以减少后刀面与工件的摩擦，提高刀具寿命。 粗车时，刃倾角l=-3?,-5?，精车时刃倾角l=-3?,0?。 粗车时，刀尖圆弧半径r0=0.5mm，精车时r0=1,2mm，以增强刀尖强度。 切削加工情况:通过以上参数选择，工件可获得Ra1.6的表面粗糙度，并能有效地提高刀具寿命，主切削刃在刃磨后用碳化硅油石研磨出倒棱，可消除刃磨产生的锯口，提高抗磨损能力，并增强主切削刃强度。 图1所示U槽深约24mm，宽18mm，圆弧为28，弧形槽弦长61mm，为半盲槽，加工后底部弧面及两侧面壁厚为4mm。由于是半盲槽，刀具进入切槽后，铣削阻力增大，排屑不畅，刀具与切屑挤压现象严重，切削过程中有振动，刀具易崩刃，如继续切削，刀具将在颈部处 折断。加工后的零件表面凹凸不平，表面粗糙度达不到要求。在选用刀具上，原选用硬质合金立铣刀加工，由于铣削产生的振动使铣刀崩刃，刀具寿命较短。后改用超硬铝高速钢铣刀(刀具牌号W6Mo5Cr4V2Al)切槽，取得了较满意的效果。其加工步骤如下: 先将铣刀底部磨出圆角R2，后角值取8?,12?，并用油石修光。如果刀具底部圆角磨削不好及尺寸大小不一，或不等高，那么刀具的使用寿命则会降低。 粗铣，取主轴转速300r/min，加磨削液。手动进给，两侧各留5mm，分两次铣削，第一次吃刀深度为12mm，第二次吃刀深度为10mm，底面保证最大尺寸留2mm余量。试验得知，一把刀在不受撞击，正常使用的情况下，可加工40件、80条这样的槽，然后将铣刀卸下刃磨，第二次刃磨后的铣刀，其耐用度稍差。如用硬质合金立铣刀加工，一把硬质合金铣刀在圆角处刃磨角度合理的情况下，也只能加工4条槽，但表面粗糙度达不到要求。使用超硬铝铣刀，其耐用度要比硬质合金铣刀提高10,12倍。 半精铣，取主轴转速475r/min，进给速度475mm/min，不加冷却液。 装上工装精加工R388圆弧底面及两侧面尺寸4mm，圆角R2，取主轴转速475r/min，在圆盘上加工应保证逆铣，铣削中有振动，可调整圆工作台间隙，螺母调紧，减少振动。顺铣带刀严重，圆盘的窜动容易将零件啃伤，造成零件报废。试验得知，用超硬铝高速钢铣刀对工件进行半精加工至精加工，其经济价值非常可观，一把铣刀可直接加工120件，甚至还要多一些，而用硬质合金铣刀其使用寿命仅是它的十分之一。 3 综合因素探讨 影响钛合金切削加工的因素很多，要依据实际零件加工情况从各个方面进行综合分析，找出最佳途径。下面就我厂这几年来在加工TA7、TC4材料零件中采取的几点措施作一简介。 切削机床、夹具的选择 切削用量、刀具几何参数选择 切削加工钛合金应选择刚性好、功率大、具有大的变速范围和进给范围的机床，以便于调整切削参数。切削加工前认真调整机床导轨间隙，或单独使用某一方向进给加工时，最好将另一方向的螺母锁紧，减少机床振动:夹具刚性要好，使用圆工作台时，应将其间隙调好，螺母锁紧。 3楼 切削加工钛合金时，应重点考虑钛合金切削时会产生较高温度的因素，由于切削温度高，刀具磨损加快。切削温度一般取值为:硬质合金刀具切削温度应控制在600,800?，高速钢刀具切削温度控制在450,560?的范围内，还要严格控制切削用量，特别是切削速度不能高。在实际加工中要根据具体材料和不同加工工序进行选择，并使用充足的切削液，提高切削效率。切削钛合金刀具的几何参数见表2 ，切削钛合金的切削用量见表3 。 表2 切削钛合金切削用量(供参考) 刀具材料类型 前角 轴向前角 径向前角 主偏角 后角 副后角 副偏角 刃倾角 螺旋角 高速钢车刀 6?,12? 45?,90? 5?,8? 5?,15? 0?,5? 硬质合金车刀 3?,7? 45?,90? 8?,12? 15? 0?,5? 端铣刀 0? 5?,8? -13?,17? 12?,60? 8?,12? 5?,8? 6?,10? 硬质合金立铣刀 10?,12? 12? 5?,8? 3?,5? 30? 高速钢立铣刀 15?,18? 6?,10? 1?,10? 35?,45? 高速钢盘铣刀 0? 10? 表3 切削钛合金刀具的几何参数(供参考) 刀具类型 刀具材料 工件材料sb (MPa) 粗铣氧化皮 粗铣 精铣 冷却液 切削速度 (m/min) 每齿进给量 (mm) 轴向切深 (mm) 径向切深 (mm) 切削速度 (m/min) 每齿进给量 (mm) 轴向切深 (mm) 径向切深 (mm) 切削速度 (m/min) 每齿进给量 (mm) 轴向切深 (mm) 径向切深 (mm) 端铣刀 硬质合金 ?1000 18,24 0.06,0.12 大于氧化皮深度 ?0.6D 24,37 0.10,0.15 1.5,6 ?0.6D 30,45 0.04,0.08 0.2,0.50 乳化液、磨削液 >1000 15,20 0.05,0.10 20,24 0.08,0.12 1.5,6 24,30 0.04,0.06 立铣刀 硬质合金 29,37 0.03,0.06 大于氧化皮深度 30,38 0.08,0.13 10,30 1,4 47,75 0.06,0.08 0.5D,2D 立铣刀 高速钢 ?1000 5,10 0.1,0.13 大于氧化皮深度 大于氧化皮深度 10,19 0.1,0.13 1,3 15,37 0.06,0.10 >1000 4,8 0.1,0.13 8,15 0.1,0.13 8,15 0.04,0.08 三面刃铣刀 高速钢 ?1000 7,14 0.06,0.08 6 11,22 0.06,0.08 0.5D,2D 1.5,3 14,28 0.05,0.07 >1000 6,12 0.06,0.08 6 7,14 0.07,0.1 9,22 0.05