钛合金的切削加工

钛合金以其比强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想的制造材料,但由于其切削加工性差,长期以来在很大程度上制约了它的应用。随着加工工艺技术的发展,近年来,钛合金已广泛应用于飞机发动机的压气机段、发动机罩、排气装置等零件的制造以及飞机的大梁隔框等结构框架件的制造。我公司某新型航空发动机的钛合金零件约占零件总数的11%。本文是在该新机试制过程中积累的对钛合金材料切削特性以及在不同加工方法下表现出的具体特点的认识及所应采取工艺措施的经验总结。

1钛合金的切削加工性及普遍原则

钛合金按金属组织分为a相、b相、a+b相,分别以TA,TB,TC表示其牌号和类型。我公司某新型发动机所用材料为TA,TC两种。一般铸、锻件采用TA系列,棒料用TC系列。

特点及切削加工性

钛合金相对一般合金钢具有以下优点:

比强变高:钛合金密度只有4.5g/cm3,比铁小得多,而其强度与普通碳钢相近。

机械性能好:钛合金熔点为1660℃,比铁高,具有较高的热强度,可在550℃以下工作,同时在低温下通常显示出较好的韧性。

抗蚀性好:在550℃以下钛合金表面易形成致密的氧化膜,故不容易被进一步氧化,对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、盐介质均有较高的抗蚀能力。

另一方面,钛合金的切削加工性比较差。主要原因为:

导热性差,致使切削温度很高,降低了刀具耐用度。

600℃以上温度时,表面形成氧化硬层,对刀具有强烈的磨损作用。

塑性低、硬度高,使剪切角增大,切屑与前刀面接触长度很小,前刀面上应力很大,刀刃易发生破损。

弹性模量低,弹性变形大,接近后刀面处工件表面回弹量大,所以已加工表面与后刀面的接触面积大,磨损严重。

钛合金切削过程中的这些特点使其加工变得十分困难,导致加工效率低,刀具消耗大。

切削加工的普遍原则

根据钛合金的性质和切削过程中的特点,加工时应考虑以下几个方面:

尽可能使用硬质合金刀具,如钨钴类硬质合金与钛合金化学亲和力小、导热性好、强度也较高。低速下断续切削时可选用耐冲击的超细晶粒硬质合金,成形和复杂刀具可用高温性能好的高速钢。

采用较小的前角和较大的后角以增大切屑与前刀面的接触长度,减小工件与后刀面的摩擦,刀尖采用圆弧过渡刃以提高强度,避免尖角烧损和崩刃。

要保持刀刃锋利,以保证排屑流畅,避免粘屑崩刃。

切削速度宜低,以免切削温度过高；进给量适中,过大易烧刀,过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快；切削深度可较大,使刀尖在硬化层以下工作,有利于提高刀具耐用度。

加工时须加冷却液充分冷却。

切削钛合金时吃刀抗力较大,故工艺系统需保证有足够的刚度。由于钛合金易变形,所以切削夹紧力不能大,特别是在某些精加工工序时,必要时可使用一定的辅助支承。

以上是钛合金加工时需考虑的普遍原则,事实上,用不同的加工方法时及在不同的条件下存在着不同的矛盾突出点和解决问题的侧重点。

2钛合金切削加工的工艺措施

车削

钛合金车削易获得较好的表面粗糙度,加工硬化不严重,但切削温度高,刀具磨损快。针对这些特点,主要在刀具、切削参数方面采取以下措施:

刀具材料:根据工厂现有条件选用YG6,YG8,YG10HT。

刀具几何参数:合适的刀具前后角、刀尖磨圆。

较低的切削速度。

适中的进给量。

较深的切削深度。

充分冷却。

车外圆时刀尖不能高于工件中心,否则容易扎刀。

精车及车削薄壁件时,刀具主偏角要大,一般为75～90°。

选用的具体参数见表1。

表1车削钛合金参数表

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