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钛合金!!!切削加工方法简析!

1.概述

钛合金具有密度小(约4.5g/cm3)、强度高以及耐腐蚀(酸、碱、海水和大气等介质)等一系列优良的力学和物理性能。因此在航空、航天、核能、化工、石油、冶金和医疗器械等工业中得到越来越广泛地应用。


(1)钛合金的分类。钛是同素异构体,溶点为1720℃,同素异构转变温度为882℃。在低于882℃时,钛呈密排六方晶格结构,称为α钛。在882℃以上时,呈体心立方晶格结构,称为β钛。利用上述两种结构的不同特点,添加不同的合金元素,使其相变温度及相分含量逐渐改变,从而得到不同组织的钛合金。


在室温下,钛合金有三种基本组织,可分为以下三类。①α钛合金。由α固溶体组成的单相合金。耐热性高于纯钛,组织稳定,抗氧化能力强,在500~600℃下仍保持其强度,抗蠕变能力强,但不能进行热处理强化,牌号有TA4~TA8。硬度为240~300HB,抗拉强度σb为340~981MPa,伸长率δ为10%~25%,冲击值ak为(29.43~58.86)×104J/m2,热导率к为7.54~10.47W/m·K。②β钛合金。由β相固溶体组成的单相合金。不经热处理就有较高的强度,淬火时效后,合金得到进一步强化,但热稳定性差,不宜在高温下使用,牌号有TB1、TB2。硬度为240~300HB,抗拉强度σb为1079~1373MPa,伸长率δ为18%,冲击值ak为29.43×104J/m2,热导率к为6.28W/m·K。③α+β钛合金。由α和β双向组成,既有α稳定元素,又有β稳定元素,如Cr、Co、Fe、Ni和Mn等β共析型元素,稳定了β相。Sn、Zr两种元素在αβ相中都具有相当大的固溶性,是有效的强化剂。这类合金组织稳定,有良好的高温变形性、韧性和塑性,能进行淬火和时效,使合金强化。热处理后的强度比退火状态提高50%~100%。高温强度高,可在400~500℃下长期工作,热稳定性仅次于α钛合金。牌号有TC1~TC10。硬度为210~365HB,抗拉强σb为589~1059Mpa,伸长率δ为10%~15%,冲击值ak为(29.43~44.15)×104J/m2,热导率к为5.44~9.63W/m·K。


三种钛合金中,α钛合金的切削加工性相对较好,α+β钛合金次之,β钛合金最差。其中,最常用的是α钛合金和α+β钛合金。


(2)钛合金的性能特点。


①比强度高。钛合金的密度小,强度高,所以他的比强度(σb/ρ)大于超高强度钢。


②热强性高。钛合金的热稳定性好,高温强度高,能在500℃下长期工作,而铝合金只能在200℃以下工作。钛合金在300~500℃温度下的强度比铝合金约高10倍。


③抗蚀性好。钛合金在潮湿大气和海水介质中能长期工作,其抗蚀能力远优于不锈钢。对点蚀、酸蚀和应力腐蚀的抵抗能力很强。对碱、氯化物、氯的有机化合物、硝酸以及硫酸等有优越的抗蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。


④化学活性大。钛与大气中的O、N、H、CO、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,会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。氢含量上升,也会形成硬化层。钛吸收气体而产生硬脆表层的深度可达0.1~0.15mm,硬化程度比基体硬度高20%~30%。钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘结现象。


⑤热导率低,弹性模量小。钛的热导率很低,为15.24W/m·K,是镍的1/4,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%。如TC4的к为7.95W/m·K,TC9的к为7.12W/m·K。钛和钛合金的弹性模量E为110 000MPa,约为一般钢材的1/2,故刚度差,易变形。⑥低温性能好。钛合金在低温和超低温(-100~-253℃)条件下,仍保持其力学性能,是一种重要的低温结构材料。


2.钛合金的切削特点


钛的溶点高(1720℃),激活能大,晶格原子不易脱离其平衡位置,故在切削加工时,切离成切屑所消耗的能量大。加入的合金元素愈多,则合金的强度、硬度愈高,愈难于切削加工。试验证明,钛合金的硬度大于350HB时,切削加工越困难。而硬度小于300HB时,易出现粘刀,也难于切削。钛合金最好的切削加工硬度是300~350HB。钛合金难于切削的原因不只是硬度这一项,还因他本身的其他力学性能、物理性能和化学性能等因素的影响。其切削特点如下。


(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,这是切削钛合金时一大显著特点。其塑形变形小和切屑收缩率小,是因为在切削高温时,钛由αβ转变,而β钛的体积增大,引起切屑增长,在高温的作用下,钛屑吸收空气中的O、H和N,使钛屑丧失了塑性,切屑不再收缩。


(2)切削温度高。由于钛合金的热导率低,切削热传出困难,致使切削区温度增高。所以在相同的切削条件下,他的切削温度比切削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,不易传出而造成。


(3)单位面积上的切削力大。切削钛合金的主切削力比切削一般钢材小20%左右。但由于刀具与切屑的接触的长度短,使单位面积上的切削大大增加,容易造成刀具崩刃。


(4)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,极易造成刀具磨损。再由于他的切削温度高,切屑与刀具前刀面接触短,散热条件差,加之其弹性模量小,弹性恢复大(约为切削不锈钢的2~3倍),与刀具后刀面的摩擦面积大,亲和性大,易造成刀具磨料、粘结、扩散和氧化磨损。


(5)易产生表面变质污染层。由于钛合金的化学活性大,易与各种气体杂质产生强烈的化学反应。如O、N、H、C等侵入钛合金表层,易形成TiC、TiN硬质表层,致使表层的硬度和脆性上升。


3.切削钛合金加工条件的选择


(1)切削钛合金的刀具材料。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料。①高速钢。应首选含铝、含钴超硬高速钢和高钒高速钢,因其常温和高温硬度比普通高速钢高6~8HRC,刀具耐用度可提高4倍以上。牌号有W6Mo5Cr4Ν2Al、W2Mo9Cr4ΝCo8以及W12Mo3Cr4Ν3Co5Si等。②硬质合金。应选用添加TaC或NbC的YG类细晶粒或超细晶粒硬质合金。这类合金不仅硬度高、耐磨性好,而且刀具耐用度也高几倍。牌号有YS2、YG813、YD15和YG6x等。涂层硬质合金不宜选TiN和TiC涂层,应选TiAlN和TiAlSi涂层及金刚石涂层。③超硬刀具材料。如人造聚晶金刚石(PCD)、人造厚膜钎焊金刚石(CΝD)和立方氮化硼(PCBN)。他们均可高速(Νc≥200m/min)切削钛合金,其刀具耐用度是硬质合金的几十倍至几百倍,且加工质量好。


(2)切削钛合金的刀具几何参数。


①前角。钛合金在切削时,切屑与刀具前刀面接触很短,前角小时,可增大切屑与前刀面的接触面积,使切削力和切削热不致过分集中在刀具刃口上,改善散热条件的同时保护刀刃,减少了崩刃的可能性。一般γ0=5°~15°。高速钢刀具,γ0=10°~15°。超硬刀具材料的刀具,γ0=0°~5°。


②后角。由于钛合金的弹性模量小,为一般钢材的1/2,所以在切削时,切削表面和已加工表面的弹性恢复大,为了减小刀具后刀面和工件的摩擦和磨损,一般α0≥15°。


③主、副偏角。钛合金在切削时,切削温度高,刀屑接触短,为增大刀尖强度、改善散热条件并减小刀刃单位长度负荷,在粗加工时,κr≤45°,κr'=10°~15°;精加工时,κr>75°。


④刃倾角。由于毛坯表皮组织不均匀和硬皮,为了增大刀尖强度,粗加工时,λs=-5°~-3°;精加工时,λs=0°~3°。


⑤刀尖圆弧半径。一般取rε=0.8~1.2mm。


(3)切削钛合金的切削用量。由于钛合金的性能和切削特点,影响刀具耐用度的主要因素为切削温度。因此,力求选用最佳切削温度下相对应的切削速度。高速钢刀具的最佳切削温度为480~540℃,相对应的切削速度为νc=8~12m/min;硬质合金刀具的最佳切削温度为650~750℃,相对应的切削速度为Νc=25~54m/min。但进给量对钛合金的切削温度也影响比较大,ƒ大切削温度高,所以一般ƒ不宜大于0.3mm/r。PCD、CΝD刀具的Νc=100~200m/min,但一般干切取小值,湿切取中偏大值。切削钛合金时,应避免高速微量干切削,以免微小的钛屑在空气中发生自燃。


(4)切削钛合金的切削液。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,故水溶性冷却性能最好。在车削、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)的水溶液。


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。


在扩孔、铰孔、拉削和攻丝时,应采用润滑性能好的极压切削油、蓖麻油、油酸、硫化油和氯化油等。


(5)切削钛合金应注意的问题。


①切削钛合金时应避免微量切削,以避免自燃现象发生。一旦着火,应采用滑石粉、石灰粉和干砂灭火。严禁使用四氯化碳、二氧化碳灭火器,不能浇水,以免加速燃烧,导致氢爆炸。


②在铣削时,应尽量采用顺铣和不对称铣,这样在切离时切屑很薄,不易粘在刀刃上,避免在切入时损坏刀刃。不对称铣的偏心距=(0.04~0.1)d0d0为铣刀直径。


③由于钛合金的弹性模量为钢材的1/2,在夹紧时易产生变形,直接影响加工精度。所以在安装工件时,夹紧力要适当而不宜过大,必要时增加辅助支撑。


④采用高速钢钻头钻孔时,钻型尽可能采用三尖七刃的群钻,锋角2φ=135°~140°,横刃宽度b=(0.05~0.1)d0,有利于排屑和减小轴向力及改善散热条件。Νc≤12m/min,Νc偏高会加快钻头磨损。⑤攻丝是切削钛合金最困难的工序,特别是小直径螺纹。因其弹性模量小,回弹大,丝锥与工件接触面积大,造成摩擦扭矩增大,一般约为攻45钢的1倍,造成丝锥磨损过快,甚至被咬死折断在螺孔中。为了改变这种不良现象,应在攻丝前把丝锥的后角用金刚石什锦锉加大到约15°,且适当加大螺纹底孔直,使牙高率为70%左右。


4.结语


虽然钛合金属于难切削材料,但只要熟知他的性能和切削特点,合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量、切削液和注意在切削中的问题,就一定能顺利完成对他的各种切削加工。


转自:机工刀具世界