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| 钛合金薄壁件车削加工的研究 |
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| 2008年05月11日 |
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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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