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TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择
傅勇 宗明辉 刘应芗
本文提出的TA15、TB6钛合金切削加工用量及刀具的选择方法,在TA15、TB6钛合金零件研制过程中得到了验证,为今后进一步开展其他钛合金切削加工的研究提供了参考与借鉴。
TA15、TB6两种钛合金材料具有重量轻、强度高、耐热、耐腐蚀、疲劳性能好等一系列优良的力学、物理性能,成为航空航天、核能、船舶等领域理想的结构材料之一。但由于该材料价格昂贵,难加工,尤其是铣削加工制造周期长、成本高,制约了它的应用。而新一代航空产品需要具备更优异的性能新材料、新结构、新工艺被广泛应用。同时,为了竞争的需要,研制周期短和制造成本低是取胜的关键,因此,开展对TA15、TB6两种钛合金材料切削加工的研究是必要的,特别是铣削高效加工的探索尤其显得紧迫和重要。
TA15、TB6钛合金材料主要特征
TA15 a钛合金是a相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在930MPa以上,耐热性高于纯钛,组织稳定,抗氧化能力强,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。
TB6 b钛合金是b相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在1105MPa 以上,但热稳定性较差,不宜在高温下使用。
TA15、TB6钛合金的切削加工工艺特性
·摩擦系数大,导热系数低,刀尖切削温度高。钛合金热导率仅为钢的1/4 、铝的1/14 、铜的1/25 , 因而散热慢,不利于热平衡。切削时产生的切削热都集中在刀尖上,使刀尖
·温度很高,易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。
·弹性模量小。钛合金的弹性模量只有30CrMnSi的56% ,这说明零件的刚性差,切削时易产生弹性变形和振动,不仅影响零件的尺寸精度和表面质量,而且还影响刀具的使用寿命;同时造成已加工面的弹性恢复较大,刀具后面摩擦增加导致刀具过快磨损。
·化学活性大。在300℃ 以上时有强烈的吸氢、氧、氮的特性,造成加工表面易产生脆硬的化合物,切屑形成短碎片状,使刀具极易磨损。
·钛合金化学亲和力较强,极易与其他金属亲和结合。在加工中切屑与刀具的粘结现象严重,使刀具的粘结和扩散磨损加大。
TA15、TB6钛合金零件切削用量和刀具参数的选择
1) 主要加工方法
钛合金零件的加工余量比较大,有的部位很薄(2~3mm) ,主要配合表面的尺寸精度、形位公差又较严,因此每项结构件都必须按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排工序。主要表面分阶段反复加工,减少表面残余应力,防止变形,最后达到设计图的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削、攻丝等。
2) 铣削用量及刀具的选择
钛合金结构件中大量应用铣削加工,如零件内外型面。
刀具应选择具有高硬度、高抗弯强度和韧性、耐磨性好、热硬性好、工艺性好、散热性好的材料,主要为高速钢W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金YG8、K3O、Y330。
刀具几何参数应以保证刀具强度高、刚性好、锋利为原则,细长比不能过大,并分粗、精加工两种,加工时最好采用顺铣。铣削刀具参数见表1,常规加工铣削用量见表2。

表1 铣削刀具参数

刀具前角g0
(°)
后角a0
(°)
螺旋角b
(°)
刀尖齿背备注
立铣刀O~412~1530~45按需R形b大:切削平稳
4~815~2030~45按需R形a0大:切削力小,机床震动小
三面刃铣刀3~1012~15-按需--
端铣刀0~512~15---主偏角Ø45°~75°
表2 常规加工铣削用量
刀具材料立铣刀直径d
(mm)
切削速度V
(m/min)
进给量f
(mm/min)
切削深度ap
(mm)
切削宽度ac
(mm)
切削刃总长l
(mm)
使用机床
K30≤2525~3550~1000.3~0.51.550~150数控加工中心
K30>2525~35100~1500.3~0.52.550~150数控加工中心

在上述常规加工的基础上,为进一步提高铣削加工效率,我们在强力铣加工中心机床上进行了高效铣削试验,获得了较理想的切削用量、刀具和切削液,铣削用量数据见表3。

表3 高效加工铣削用量

刀具材料立铣刀直径d
(mm)
切削速度V
(m/min)
进给量f
(mm/min)
切削深度ap
(mm)
切削宽度ac
(mm)
切削刃总长l
(mm)
使用机床
K30≤2540~70200~3000.3~0.81.5~530~40强力铣加工中心
K30>2540~120300~4000.3~0.82.5~830~60强力铣加工中心

通过高效铣削与常规对比可以看出,高效铣削加工比常规加工效率提高了2~4倍,零件表面质量也得到较大的提高,加工周期大大缩短,制造成本相应降低。
3) 车削用量及刀具的选择
在刀具、切削用量、切削液选择合理的情况下,钛合金车削并不困难,与加工合金钢接近。但车削钛合金表面氧化皮较为困难,一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮,然后车削剩余的氧化皮,车削时切削深度应超过氧化皮深度1~5倍,走刀量可加大,但切削速度应降低。
刀具材料应选择YG类硬质合金材料。
刀具几何参数选择:前角g0=4°~8°,后角a0=12°~18°,主偏角Ø45°~75°,刃倾角l=0°,刀尖圆弧半径r=0.5~1.5mm 。
切削用量的选择:主轴转速n≥23Or/min,进给量f ≥0.10~0.15mm/r ,切削深度ap=1.5~2.0mm 。
车削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度,提高刀具的耐用度。
4) 磨削用量及刀具的选择
磨削加工可获得较高精度,但由于钛合金的特有性质决定了钛合金磨削非常困难。磨削时砂轮磨损严重,容易变钝,磨削比也较低;同时易在表面产生有害的拉应力及严重的表面烧伤现象,因此应尽量避免磨削加工,以精铣代替。
磨削材料选择:磨削钛合金选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料。如出现磨削烧伤趋势,应使用人造金刚石或立方氮化硼砂轮,其效果好,但价格昂贵。砂轮硬度选择较软砂轮R3、ZR1、ZR2,粒度选择46、60为佳,选A类结合剂。
磨削用量选择见表4。

表4 磨削用量

磨削方法砂轮速度v
(m/s)
工作台速度V1
(m/min)
工件速度V2
(m/min)
磨削深度ap
(mm)
横向进给fa
(mm/st)
纵向进给fb
(mm/r)
(砂轮宽度B)
平面磨15~1810~20-0.025~0.0350.5~4.0-
15~186~12-0.010(最大)0.5~4.0-
外圆磨15~18-15~300.025~O.035-1/5B
15~18-15~300.010(最大)-1/10B
注:①横向进给fa(mm/st)指工作台每单行程砂轮对工件横向移动量;②纵向进给fb(mm/r)指工件每旋转一转,砂轮对工件纵向移动量。

钛合金零件在磨削过程中必须充分冷却,否则零件会变色甚至烧伤。磨削液除具有冷却、润滑和冲洗作用外,更重要的还在于能有效地抑制钛与磨料的粘附和化学反应。
5) 钻削用量及钻头的选用
钛合金钻削材料应选择具有足够的硬度、强度、韧性、耐磨性及与钛合金亲合能力低的材料,主要为W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al、W12Cr4V4Mo、W2Mo9Cr4VCo5和YG8、K30等。
钻头的几何形状,应注意:
·适当增大钻头顶角,顶角范围由118°~120°增加到135 °~140°,其目的是增强切削部分并使切削厚度增加,改善钻削效果。
·选择合适的螺旋角β,β角增加,前角也增加,切削轻快,易于排屑,扭矩和轴向力也小,见表5。

表5 不同规格钻头的螺旋角

钻头直径D:(mm)2~66~1818~50
螺旋角b:(°)43~4540~4235~40

·增大钻心厚度,以提高钻头强度。钻心厚度一般为:K=(0.45~0.32)D,D为钻头直径。
·增大钻头外缘处后角,可以使横刃锋利,改善切削性能,特别对钻心处的钻削加工有明显改善,外缘处后角选择见表6 。

表6 钻头直径与外缘处后角af的关系

钻头直径D:(mm)2~66~1818~50
外缘处后角af:(°)17~2015~1812~15

·加工成倒锥K,减小棱带同孔壁摩擦,使钻头切削时扭矩减小,提高效率,倒锥度见表7。
钻削用量见表8 。

表7 钻头直径D与倒锥度的关系

钻头直径D:(mm)2~66~1818~50
倒锥度:(mm/100mm)0.03~0.050.04~0.080.05~0.12
表8 钻头直径D与切削用量的关系
钻头直径D:(mm)主轴转速(r/min)进给量f (mm/r)
≤3650~4500.04~0.06
3~6450~3500.06~0.11
6~10350~3000.07~0.12
10~15250~2000.08~0.14
15~20180~1500.11~0.15
20~25120~900.12~0.20

钛合金进行钻削和攻丝加工时最好不用含氯的冷却液,避免产生有毒物质和引起氢脆。钻削浅孔时,可用电解切削液;钻削深孔时,可用N32机械油加煤油,也可用硫化切削。
6) 铰削用量及刀具的选用
钛合金铰孔是最后一道精加工工序,不仅要考虑生产率的问题,更重要的是要保证孔的加工质量(精度和表面粗糙度)。为此必须保证刀具质量,合理选择切削用量,注意铰刀与钻铰模的协调和正确的操作技术。通过钻孔→扩孔(粗铰)→精铰的加工方法,一般都能满足产品零件规定的要求。
刀具材料一般选用M42高速钢或硬质合金K30。刀具的几何参数为:前角g0=3°~7°,后角a0=12°~18°,主偏角Ø=5°~18°,刃倾角l=0°。校准部分刃带宽度b=0.05~0.15mm ,过宽容易同钛合金加工表面粘结,过窄容易在铰削时产生振动。铰刀齿数Z=4~8(铰刀直径为Ø10~20mm)。我们加工的肋和接头,因加工的两孔跨度较长,同轴度要求较高,为此专门设计了加长钻头和铰刀。
切削用量的选择见表9。

表9 铰削用量

刀具材料铰刀直径D
(mm)
主轴速度n
(r/min)
每齿进给量ar
(mm)
铰削余量(单边)ap
(mm)
M42≤10250~1200.02~0.04粗铰:0.10~0.15
>10~20120~800.025~0.050精铰:0.05~0.10
K30≤10800~4000.02~0.04粗铰:0.1~0.2
>10~20400~2000.025~0.050精铰:0.05~0.10

铰削时应不断地注人冷却润滑液以获得较好的表面粗糙度,同时应勤排屑,及时清除铰刀刃上的切屑末,铰削时要匀速地进退刀。
7) 攻丝用量及刀具参数的选
钛合金攻丝时会产生很大的挤压变形,作用在螺纹齿侧的摩擦力加大,这样不但使加工出来的螺纹表面粗糙度不好,而且丝锥容易折断。为了改变这种情况,可以采用跳牙丝锥或改进丝锥结构(加大校正段刀齿的后角或加大倒锥度)的方法,以减少切削扭矩和摩擦扭矩,增大容屑空间,改善攻丝的切削性能。另外,钛合金攻丝前的底孔直径一般应大于标准值,而且底孔的表面粗糙度应达到Ra≤3.2µm 。
刀具材料和几何参数选橄丝锥材料选用M2Al、M42高速钢。丝锥几何参数为:前角g0=5°~8°,后角a0=8°~10°,丝锥校堆段齿背圆柱刃带b1=0.1~0.2mm 。主偏角Ø6°~10°(通孔)、Ø=15°~20°(不通孔);头锥Ø=2°~3°,二锥Ø=4°~5°。
切削用量选择:攻丝的切削用量也只有速度(转速)一项可选,钛合金攻丝速度v为3~6m/min。攻丝时应及时清除丝锥刃部毛刺、切屑末,以免损伤螺纹;攻丝时要勤退刀。
攻丝时要加适量的冷却润滑液,建议使用蓖麻油或机油,以保证螺纹粗糙度要求。
洪都航空工业集团公司 傅勇 宗明辉 刘应芗
傅勇:1987年毕业于南京航空航天大学机械制造工艺及设备专业,一直从事机械制造工艺技术工作。先后担任多个机型的型号主任师,现任洪都航空工业集团公司制造工程部零件工艺室主任,高级工程师。 6/18/2007


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