鈦合金冷切削加工實踐研究

王正東,蔡 霞,楊 嵩

(1.廣東職業技術學院,廣東 佛山 528041;2.廊坊市榮祥機電設備有限公司,河北 廊坊 065000)

1 鈦合金材料概述

鈦合金材料具備優越的物理性能和力學特性,在航空航天、核能、石油化工以及醫療器具等領域得到廣泛應用。常溫下按基本組織分為:α鈦合金、β鈦合金以及α+β鈦合金三類,α鈦合金切削加工性能最優,α+β鈦合金切削加工性能次之,β鈦合金切削加工性能最差。鈦合金材料所具備的優越性能主要有:抗腐蝕性好,可長期工作于海水或潮濕的工況下,抗腐蝕性明顯優于不銹鋼材料;常溫強度好常溫狀態下鈦合金材料強度要優于高強度鋼;高溫強度高,具備500 ℃高溫下保持正常工作強度,約是同樣高溫條件下鋁合金材料強度的10倍以上;化學活性大,常溫TiC和高溫TiN容易形成;低溫性能好,在零下-100～-300 ℃的低溫和超低溫條件下,仍保持良好的力學性能。另外,鈦合金材料的熱導率為15.24 W/M＊K,冷切削過程產生的大量切削熱不易及時傳導出去,繼而導致切削溫度過高;鈦合金材料的彈性模量E為1.1×105MPa;導致鈦合金材料變形系數小、單位面積上的切削力較大、刀具的刀刃部位易磨損以及加工表面易出現變質層的切削特點。[1,2,3,4]

2 鈦合金材料冷切削加工

2.1 鈦合金的車削加工

2.1.1 車刀材料

采用普通高速鋼車刀加工鈦合金時,刀具耐用度極低。為了提高刀具耐用度,可選用高釩高速鋼,較為典型的例如W12Cr4V4Mo。高速鋼車刀也可選用鉆高速鋼,例如W12Mo9CH4VCo,亦或選用例如W6Mo5Cr4V2A1和W10Mo4Cr4V3AI等的鋁高速鋼。在實際的鈦合金車削加工過程中,從加工成本和車刀耐用度考慮大多會選用硬質合金車刀,常見的例如YG6X、YG8、YD15、YS2T、YO6A、813和643等牌號。硬質合金車刀與高速鋼車刀相比,在導熱性能和抗彎強度上明顯占據優勢,再者硬質合金還具備晶粒細小、與鈦親合力小的特點。實際鈦合金的車削加工過程,也會采用立方氮化硼、金剛石、人造聚晶金剛石作為刀具材料。

2.1.2 車刀參數

2.1.3 車削用量

切削鈦合金時會產生大量的切削熱,導致切削刃的切削溫度變化比較劇烈,這樣會極大影響刀具的耐用度。切削溫度直接受切削速度的影響,所以控制車削鈦合金的切削溫度是選取最優切削速度的關鍵。經過總結大量鈦合金車削實踐可知,采用高速鋼車刀最佳切削溫度應保持在450～550 ℃,對應的切削速度最優取值范圍v=7～10 m/min。采用硬質合金車刀最佳切削溫度應保持在650 ℃～750 ℃,對應的切削速度最優取值范圍v=(25～65) m/min。在使用人造聚晶金剛石車刀加工鈦合金時,要注意是否選用冷卻液,就分為濕切和干切兩種情況。鈦合金車削必須保證冷卻液充足且均勻的切削加工就為濕切,濕切的切削速度v=(200～220) m/min。鈦合金車削始終不使用任何切削液冷卻潤滑的切削加工就為干切,干切的切削速度v=(100～120) m/min。無論干切與濕切,都要避開硬化層車削,所以背吃刀量選取要合理,進給量選用要科學,一般粗車選ap=(3～6) mm,進給量f= (0.35～0.65) mm/r;精車選ap= (0.3～0.6) mm ,進給量f=(0.15～0.25) mm/r。特別注意:切削大深度時,切削速度就相應降低一點。鈦合金冷切削過程產生大量切削熱,非常有必要使用冷卻液及時降溫冷卻。一般采用乳化液或添加擠壓劑的水溶液,降溫的同時還可避免以車代磨的微車削產生鈦合金粉末發生自燃的安全隱患。

2.2 鈦合金的磨削加工

采用同樣地磨削用量加工鈦合金材料時,磨削效率遠低于磨削45鋼,砂輪加速變鈍會產生大量的切削熱。鈦合金材料的磨削過程極易發生強摩擦、產生彈性變形和塑性變形,磨削加工區溫度超過上千度,磨削溫度遠高于45鋼。磨削鈦合金過程中,除砂輪的粘結、擴散外,同時砂輪磨粒與鈦合金材料的化學作用也會加速砂輪磨損。選擇合理的砂輪材料、優化磨削用量以及正確選用磨削液是控制磨削溫升、防止過大的磨削變形以及砂輪快速磨損的有效手段。

2.2.1 砂輪材料

復合型人才的培養離不開高素質的師資隊伍，培養復合型信息與計算科學人才，對師資隊伍提出了很大挑戰．需要制定師資隊伍建設新方案，針對高素質復合型人才培養的要求，構建適應復合型人才培養的師資結構．一方面，要加強對骨干教師的專業培訓，同時制定激勵措施，鼓勵專業教師到企業一線鍛煉或有計劃地選派有潛質的青年教師直接參與企業的項目實踐；另一方面，聘請校外一些優秀的數據挖掘工程師、軟件工程師、實踐經驗豐富的培訓講師等兼職任教、合作研究，擴大復合型人才培養的師資力量．

鈦合金磨削加工一般選用鈰碳化硅或綠碳化硅基體磨料的砂輪。鈰碳化硅或綠碳化硅基體材料可有效降低與鈦合金材料的粘附現象,大幅減低砂輪的堵塞情況。為了提高磨削效率,增大磨削比,可考慮采用金剛石或立方氮化硼CBN砂輪。金剛石或立方氮化硼砂輪基體的磨料自身硬度高,磨削鈦合金產生的切削力相對較小,磨削溫度自然降低。例如,選用粒度為36#～ 80#、陶瓷結合劑的立方氮化硼或金剛石砂輪,屬于疏松或中等偏疏松級別。

2.2.2 磨削用量

一是平面磨削用量。粗加工時,砂輪速度vc=(15～22) m/s,工作臺速度vw=(15～20) m/min,橫向進給量fc=(0.5～5) mm/st,磨削深度ap=(0.01～0.025) mm。精加工時,砂輪速度vc=(15～20) m/s,工作臺速度vw=(8～15) m/min,橫向進給量fc=(0.5～5) mm/st,磨削深度ap≤0.01 mm。

二是外圓磨削用量。粗加工時,砂輪速度vc=(5～20) m/s,工件速度vw=(15～30) m/min,縱向進給量(B為砂輪寬度)f=B(1/5～1/8) mm/r,磨削深度ap=(0.01～0.025) mm。精加工時,砂輪速度vc=(15～20) m/s,工件速度vw=(15～30) m/min,縱向進給量(B為砂輪寬度)f=B(1/8～1/10) mm/r,磨削深度ap=(0.01～0.018) mm。

三是內圓磨削用量。粗加工時,砂輪速度vc=(20～25) m/s,工件速度vw=(15～50) m/min,縱向進給量(B為砂輪寬度)f=B(1/3～1/4) mm/r,磨削深度ap=(0.01～0.02) mm。精加工時,砂輪速度vc=(20～25) m/s,工件速度vw=(15～50) m/min,縱向進給量(B為砂輪寬度)f=B(1/6～1/10) mm/r,磨削深度ap=(0.001～0.008) mm。

2.2.3 磨削液

磨削鈦合金材料的磨削液應依據砂輪類型來選擇。鈰碳化硅或綠碳化硅基體材料砂輪磨削鈦合金,粗磨加工過程一般采用水溶液。常用的水溶液例如:亞硝酸鉀水溶液、甲酸鈉水溶液、亞硝酸鈉水溶液、亞硝酸鉀與甲酸鈉混合水溶液、高氯化油等;精磨加工過程通常使用S、P、Cl的極壓油,精磨加工的整體效果較好。立方氮化硼或金剛石基體材料砂輪磨削鈦合金,不能使用水溶液,要避免立方氮化硼或金剛石砂輪的快速磨損。

2.3 鈦合金的鉆削加工

鉆孔具備半封閉式切削加工特點,鉆孔的切削力和切削熱比其他冷加工方式都高。對于鈦合金來說,鉆孔產生的切削力和切削熱現象更為嚴重。另外,鈦合金的回彈量相對較大,深孔鉆過程中容易發生鉆頭卡住或折斷現象,且斷屑困難,導致切屑長而薄,易粘結在鉆頭上發生危險。因此,選擇合理的鉆頭材料、優化鉆削用量以及選用合適的磨削液,將有效控制鉆削溫度,提高鉆孔效率,尤其利于防止深孔鉆鉆頭卡住和折斷的情況發生。

鉆孔過程鉆頭與鈦合金勢必要發生強烈的接觸摩擦,鉆頭材料的選用要重點關注與鈦合金產生的親和作用,盡量減少兩種材料間粘結磨損的發生概率。對于鈦合金材料的鉆孔,工程應用上實際多選用YG類硬質合金鉆頭。批量生產或減低成本時也可以使用高速鋼鉆頭,但要注意鉆頭的刀具參數,頂角要增大至2￠=(135°～140°),后角a0=(12°～15°)。為了控制鉆孔時產生過大的軸向力,需要對高速鋼鉆頭實施修橫刃處理,具體修正參數為:橫刃長度b=(0.08～0.1) d0,切削鉆尖與橫刃尖軸向差h=(0.6～1) d0,過渡圓角R=1/3 d0,實際切削刃長度L=(1/4～1/5) d0,外緣處棱帶修正高度f=(1/10) d0,這里d0為鉆頭直徑尺寸mm。

采用高速鋼鉆削鈦合金材料的切削速度v=(7～10) m/min,進給量f=(0.05～0.18) mm/r。采用YG類硬質合金的鈦合金鉆削加工,鉆頭的切削速度v=(25～60) m/min,進給量f=(0.08～0.15) mm/r。

鈦合金熱導率和彈性模量都較小,冷切削會產生大量切削熱,尤其是半封閉加工的鉆削過程來說,必須選用冷卻效果理想的冷卻液進行降溫冷卻,鉆削淺孔應使用電解切削液,鉆削深孔則應選用硫化油或30號機油按3:1或3:2配比煤油的潤滑油冷卻。

2.4 鈦合金的鉸削加工

鉸孔屬于切削量較小的精加工,所以鈦合金鉸孔不宜留過大的加工余量,確定鉸削余量是鈦合金鉸削加工的關鍵。鉸削鈦合金的刀具一般選用YG類硬質合金鉸刀和高速鋼鉸刀。

鉸刀作為標準化刀具,標準參數為:前角γ0= (0°～5°),后角a0=(10°～15°),切削錐角￠=(15°～25°)。如果是階梯鉸刀,切削錐角￠=(15°～18°),刃傾角λs=(12°～15°),為保證容屑空間足夠大,一般來說階梯鉸刀的齒數不能多于標準鉸刀的齒數,鉸刀的齒槽角￠=(85°～90°)。大量的加工實踐經驗表明,鈦合金的鉸孔過程中,鉸刀在直徑尺寸上會產生一個極微小擴張量,硬質合金鉸刀的極微小擴張量約為0.006 mm,高速鋼鉸刀的極微小擴張量約為0.008 mm,在實際的加工中要注意鉸刀的這個微小擴張量對孔徑尺寸精度的影響。

鈦合金鉸孔切削用量的確定,采用高速鋼鉸刀時,切削速度v=(6～10) m/min,進給量f=(0.1～0.5) mm/r。采用硬質合金鉸刀時,切削速度v=(15～55) m/min,f=(0.1～0.5) mm/r。粗鉸孔加工余量ap=(0.08～0.3) mm,精鉸孔加工余量ap=(0.06～0.15) mm。一般來說,鉸孔直徑小取較小的加工余量,反之鉸孔直徑大取較大的加工余量。特別注意當鈦合金硬度大于HB350時,不管是粗鉸還是精鉸的切削用量都應減低至原來的四分之三。

鈦合金鉸孔最常用的切削液是電解液,也可使用植物油與煤油按3:2的配比混合成的切削油。

2.5 鈦合金的攻絲加工

鈦合金回彈模量小,絲錐與零件底孔接觸面積大,單位面積內的切削扭矩大。鈦合金攻絲時由于切削扭矩大,絲錐容易出現崩刃、咬死而折斷的問題。因此,攻絲鈦合金在冷切削加工中屬于困難工序之一,容易出現零件報廢,尤其是鈦合金的小孔攻絲。所以選擇合適的絲錐材料、優化好攻絲切削用量、正確選用冷卻液、合理修正絲錐以及精確控制底孔直徑等,將有效降低攻絲切削扭矩,提高攻絲精度,尤其利于防止小孔攻絲時絲錐折斷的情況發生。

絲錐一般選用Co或A1含量高性能優越的高速鋼材料,且對絲錐工作部位進行滲硫、滲氮、離子注入等硬化表面處理,保證絲錐具備良好的使用性能,同時提高了絲錐的耐磨性。要想解決鈦合金攻絲困難問題,關鍵是要減少絲錐工作部分與鈦合金底孔的接觸面積,以便減低切削扭矩,為此有必要對絲錐進行自身結構修整。常見的鈦合金絲錐結構修整內容包括:一是留(0.2～0.3) mm寬的刃帶,注意刃帶位置應在校準齒后,且必須緊挨著校準齒;二是增大絲錐后角至20°～30°的取值范圍;三是減小扭矩加大倒錐角度,把倒錐錐度加大至(0.15～0.3)/100 mm以上,注意要在保留2～3個完整的校準齒后逐步開始加大錐度;四是合理使用新結構絲錐,例如修正絲錐和跳牙絲錐等。使用結構修整后的絲錐加工鈦合金螺紋,攻絲效果得到顯著提升。

鈦合金攻絲加工時,螺紋底孔直徑尺寸確定與普通材料有一些不同,主要表現在要保持鈦合金螺紋的牙高比值接近0.7,而大約0.7的牙高比值對螺紋連接強度的影響并不大。牙高比值過多低于0.7,雖能有效控制鈦合金攻絲過程的最大切削扭矩,但會降低鈦合金螺紋的連接強度。牙高比值遠高于0.7,使得鈦合金攻絲扭矩劇烈增大,發生崩刃、咬死甚至折斷絲錐的可能性極大。鈦合金小螺紋加工或粗牙攻絲時,牙高比值應再小一點,保證螺紋連接強度不受影響的前提下,盡可能減少絲錐工作部分的接觸面積,從而降低切削扭矩。

依據積累的大量鈦合金螺紋底孔加工經驗,總結出鈦合金螺紋底孔直徑尺寸的經驗計算公式:D0=(D-0.77P) mm,公式中D0為內螺紋底孔直徑尺寸,D是內螺紋公稱直徑尺寸,P是內螺紋螺距尺寸。

采用機攻方式,切削速度v=(2～5) m/min,手動攻絲方式必須保持勻速切削,不宜過快。采用機攻還是手攻鈦合金都必須使用切削液,起到冷卻降溫潤滑的作用。一般選用極壓切削液,Cl、P含量越大,冷卻效果好,但要及時清洗鈦合金零件,以防發生腐蝕。

3 結語

鈦合金是制造裝備行業最常用的材料之一,屬于典型的難加工材料。經過長期的實踐加工總結,對鈦合金的四種冷切削加工方法:車削、磨削、鉆削、鉸削和攻絲給出刀具材料、幾何參數、切削用量等幾方面具體的加工參數推薦值。后續將繼續進行鈦合金冷切削的加工實踐積累,進一步優化各種加工方式的切削參數,逐步提高鈦合金冷切削加工效率。