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2014年1月29日

鈦合金的加工特點及工藝分析

    鈦合金材料由於密度小、比強度高、耐高溫、抗氧化性能好等特點,在航空航天等領域應用廣泛。但鈦合金的機械加工性能差,影響了該材料的廣泛使用。

    鈦合金是在工業純鈦中加入合金元素,以提高鈦的強度。鈦合金可分三種:a鈦合金,b鈦合金和a+b鈦合金。a+b鈦合金是由a和b雙相組成,這類合金組織穩定,高溫變形性能、韌性、塑性較好,能進行淬火、時效處理,使合金強化。鈦合金的性能特點主要表現在:

(1)比強度高。鈦合金密度小(4.4kg/dm3)、重量輕,但其比強度卻大於超高強度鋼。
    (2)熱強性高。鈦合金的熱穩定性好,在300~500℃條件下,其強度約比鋁合金高10倍。
    (3)化學活性大。鈦可與空氣中的氧、氮、一氧化碳、水蒸氣等物質產生強烈的化學反應,在表面形成TiC及TiN硬化層。
    (4)導熱性差。鈦合金導熱性差,鈦合金TC4在200℃時的熱導率l=16.8W/m·℃,導熱係數是0.036卡/厘米·秒·℃。
    鈦合金切削加工特性分析
    首先,鈦合金導熱係數低,僅是鋼的1/4、鋁的1/13、銅的1/25。因切削區散熱慢,不利於熱平衡,在切削加工過程中,散熱和冷卻效果很差,易於在切削區形成高溫,加工後零件變形回彈大,造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快,耐用度降低。其次,鈦合金的導熱係數低,使切削熱積於切削刀附近的小面積區域內不易散發,前刀面摩擦力加大,不易排屑,切削熱不易散發,加速刀具磨損。最後,鈦合金化學活性高,在高溫下加工易與刀具材料起反應,形成溶敷、擴散,造成粘刀、燒刀、斷刀等現象。
    加工中心加工鈦合金的特點
    (1)加工中心可以同時加工多個零件,提高生產效率。
    (2)可提高零件加工精度,產品一致性好。加工中心具有刀具補償功能,可以獲得機床本身的加工精度。
    (3)具有廣泛的適應性和較大的加工靈活性。
    (4)可實現一機多能。加工中心可以進行銑削、鑽孔、鏜孔、攻絲等一系列加工。
    (5)可以進行精確的成本計算,控制生產進度。
    (6)不需要專用夾具,可節約成本經費,縮短生產週期。
    (7)可大大減輕工人的勞動強度。
    (8)可利用UG等CAD/CAM軟件進行多軸加工。
    刀具材料的選擇
    選用刀具材料應滿足下列要求:
    (1)足夠的硬度。刀具的硬度必須要遠大於鈦合金硬度。
    (2)足夠的強度和韌性。由於刀具切削鈦合金時要承受很大的扭矩和切削力,因此必須有足夠的強度和韌性。
    (3)足夠的耐磨性。由於鈦合金韌性好,加工時切削刃要鋒利,因此刀具材料必須有足夠的抗磨損能力,這樣才能減少加工硬化。這是選擇加工鈦合金刀具最重要的參數。
    (4)刀具材料與鈦合金親合能力要差。由於鈦合金化學活性高,因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴散而成合金,造成粘刀、燒刀現象。
    經過對國內常用刀具材料和國外刀具材料進行的切削試驗表明,採用高鈷刀具效果理想,鈷的主要作用是加強二次硬化效果,提高紅硬性和熱處理後的硬度,同時具有較高的韌性、耐磨性、良好的散熱性。
銑刀的幾何參數
    鈦合金的加工特性決定刀具的幾何參數與普通刀具存在較大區別。
    (1)螺旋角β:選擇較小的螺旋升角,增大排屑槽,排屑容易,散熱快,同時也減小切削加工過程中的切削抗力。
    (2)前角γ:切削時刃口鋒利,切削輕快,避免鈦合金產生過多切削熱,從而避免產生二次硬化。
    (3)後角α:減小刀刃的磨損速度,有利於散熱,耐用度也得到很大程度的提高。
    切削參數選擇
    鈦合金機加工應選擇較低的切削速度,適當的進給量,合理的切深和精加工量,冷卻要充分。
    (1)切削速度Vc:Vc=30~50m/min。
    (2)進給量f:粗加工時取較大進給量,精加工和半精加工取適中的進給量。
    (3)切削深度ap:ap=1/3d為宜,鈦合金親合力好,排屑困難,切削深度太大,會造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現象。
    (4)精加工餘量αc:適中,鈦合金表面硬化層約0.1~0.15mm,餘量太小,刀刃切削在硬化層上,刀具容易磨損,應該避免硬化層加工,但切削餘量不宜過大。
    冷卻液
    鈦合金加工最好不使用含氯的冷卻液,避免產生有毒物質和引起氫脆,也能防止鈦合金高溫應力腐蝕開裂。可選用合成水溶性乳化液,也可自配冷卻液。
    切削加工時冷卻液要保證充足,冷卻液循環速度要快,切削液流量和壓力要大,加工中心都配有專用冷卻噴嘴,只要注意調整就能達到預期效果。
    通過對鈦合金的特性分析,編制正確、科學的加工工藝,可以降低成本,提高生產效率。


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