钛合金切削中刀具材料选用及加工工艺介绍

HEATS

由于钛合金具有比重小，比强度与热强度高，热稳定性和抗腐蚀性好，可以显著地减轻产品重量，提高推重比、结构的抗热能力和可靠性，所以在航空、航天、石油、化工、造船等部门得到广泛应用，几年来，由于产品结构要求，我们在钛合金的切削加工工艺上进行了一些探索，下面就此作一介绍。

1 钛合金简介

" P& Z( }% a/ Z$ n

钛合金是同素异构体，在低于882℃时呈密排六方晶体，称为a钛，在882℃呈体心六方晶体，称为b钛，随着添加其它合金元素的种类、数量不同，相变、温度及相分含量也逐渐改变，从而得到不同的钛合金，室温下可分为a、(a+ b) 、b型三种基本组织，各组织对应的典型牌号有a钛：TA6～TA8：a+ b：TC1～TC11： b钛：TB1～TB3。 + f$ I2 h. F( U5 S; _( e% i5 ] k

1. 影响钛合金切削加工性的因素 钛及钛合金的切削加工，从切削的刀具耐用度、加工表面的质量及切屑形成和排屑的难易程度等方面来衡量，钛及钛合金属难加工材料。钛及钛合金的切削加工性比奥氏体不锈钢还差，退火或固溶处理的钛合金切削加工性优于高温合金，而经时效处理后的钛合金切削加工性和高温合金差不多。 - L& u" Y2 C8 F% j
   钛合金切削加工性差主要有以下原因： , p2 r3 M5 Z4 P0 v( C/ M. q" h

   8 }4 u$ \% l" F5 r- f7 I
   1. 导热、导温系数小，切削温度高。 钛合金的导热系数平均是工业纯钛的一半，导温系数分别为铁和铝的1/4和1/16，因此在相同的切削条件下，钛合金的切削温度比45钢高1倍以上。 ( P" T4 x6 ^$ n! m: f* N
   2. 切削变形系数小，单位面积上的切削力大。 钛合金的切削变形系数小于1或接近1，钛合金切屑被主切削刃切离后，立即向上翻卷，使切屑与刀具前刀面接触减少，刀具单位面积上所承受的压力要比一般钢材大得多，切削温度急剧上升。 ' b# ?) N3 _6 Z+ N" S7 [- o* j
   3. 化学活性大。钛合金在300℃以上高温下极易与刀具材料“亲和” ， 产生严重的粘刀现象。
   % e; H% d/ F* G, w, ^! O- I
2. 刀具材料的选择 切削加工钛合金的刀具材料，要求抗变强度高、硬度高、韧性好、热硬性好、耐磨性好，还要散热好，决不能用含钛的刀具材料，因为含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲和，加剧刀具磨损。切削刀具要求刀面表面光洁，刃口锋利。对多刃刀具，应控制切削刃的跳动量。常用切削钛合金的刀具材料见表1。

- e* _% t7 k* z- E- T% l2 C8 m/ t$ f* ]% L! [2 G( L0 o; ?+ G" o$ J0 y" ?+ V% `7 ~$ J' Y \( C% x1 u5 i z5 s$ F c: u: l8 h: |% l4 R* O) \+ ?0 m( d" D5 e+ I+ U- [0 I) A j, }. C9 f' M4 N7 m T# X$ C7 Z0 \, Q! t. c, X1 {& i# ]; S6 H Q f2 a: n7 s$ d% [ W* Y1 n7 K9 Q& J! W( C" [ A2 n0 t$ h( M+ F. ?, i' }' _$ e) h( f7 [. f- k6 w9 r! g8 b# O0 }, Z D6 R y4 I% T2 r5 k1 G5 K. { r5 x. E0 O3 o- k9 E9 E/ E. p& U2 ]0 C( \- m! F' x$ F; v( C, I' \8 W4 `2 @6 |: b$ b* Z7 [4 R

表1 常用切削钛合金的刀具材料

牌号	抗弯强度sbb (MPa)	硬度≥ (HRA)	刀具种类
YG6	1320	91.0	车刀、镗刀、铣刀、钻头、铰刀 4 t$ _1 [2 u( O* T. {# Z
YG8	1741	89	车刀、镗刀、铣刀、钻头、铰刀、螺纹刀具、拉刀
Y330	1960	90.5	铣刀、钻头、铰刀、拉刀
W12Cr4V4Mo	3200	66～67	车刀、铣刀、成型铣刀、钻头、铰刀、丝锥、拉刀
W12Mo3Cr4V3Co5Si	2844～3334	66～69	车刀、铣刀、成型铣刀、钻头、铰刀、螺纹刀具、拉刀
W6Mo5Cr4V2Al	4511～4609	65～69	车刀、铣刀、成型铣刀、钻头、铰刀、螺纹刀具、拉刀、丝锥
W10Mo4Cr4V3Al	2452～3138	66～69	铣刀、钻头、铰刀
W2Mo9Cr4VCo8	1765～2354	66～69	车刀、铣刀、成型铣刀、螺纹刀具、拉刀、丝锥

7 O( I4 ]& a; F1 g6 y! Y- N& O7 b; V; r- Q3 ^6 Q2 g7 q& w5 S9 H5 @8 m( ?! s0 E) [, e, a; V" `3 R2 ~, Z4 W1 i$ p

图1

( \) j' l' w# u$ r- b5 |

2 钛合金接头切削加工举例

钛合金接头零件结构外形如图1所示，材料为TC4。该零件加工中主要存在以下几个问题：

1. 零件结构较为复杂，工艺性较差，在加工过程中，集中了车、铣、镗、钻等切削加工，刀具基本上是断续切削加工， 对刀具有较大冲击力，易崩刃，刀具寿命短：
2. 加工硬化严重，粘刀，容易产生积屑瘤，刀具磨损严重： ' I4 g( \; P( T+ l
3. 排屑不畅，刀具容易在柄部折断：
4. 加工表面粗糙，达不到设计要求，不利于后续工序基准定位。

/ j) D% i! s" c, ^$ s B, w

加工钛合金接头的主要工艺流程如图2所示。 1 z l1 u5 s8 q2 f# U" m- u5 |* h# W8 {+ n

图2

! U- d7 A' o1 v( C Z

/ y& ^/ c. d$ u* R" T
1. 加工六方外形 ! @% H4 k& |( y( }. \
   : |5 ?5 ~& Y: T& S0 @3 m- t0 ~2 ]/ P
   1. 刀具选择：切削加工六方外形选用端铣刀，YG8刀片，Ø120刀盘，6个刀片。刀具几何参数为成品角度。
   2. 切削参数选择：主轴转速118r/min，进给量47.5mm/min，铣削深度6mm。 + J8 ~" k: h" }" h1 ^
   3. 切削加工情况：有YG8铣平面，刀具切削轻松，在进刀与工件接触时以及刀具将工件切透时有振动，中间切削过程平稳，使用磨削液。留0.5mm 余量进行精铣，可获得R_a1.6的表面粗糙度。
2. 加工十字形状
   1. 刀具选择：选用硬质合金立铣刀，刀具材料为Y330。铣刀外径Ø40。
   2. 切削参数选择：主轴转速235r/min。 / j! d1 O1 ~* r( T% V+ E
   3. 切削加工情况：用Y330加工十字形状，手动横向进给，刀具切削轻松，切削时加磨削液充分冷却。精铣时铣刀底刃修磨R2，后角为10°～12°，并用碳化硅油石修磨使切削刃光滑，工件能得到R_a1.6的表面粗糙度。此时后角的选择，尤其是刀具圆弧面后角的选择至关重要，过大，会在铣削过程中产生振动，容易崩刃，使切削刃产生锯口，加剧磨损：过小，会造成排屑、断屑困难，切屑还会粘刀，后刀面与工件磨擦现象严重，刀具磨损加快。因此正确地修磨后角，可以提高刀具的使用寿命。
3. 车削工件内外圆弧表面
   刀具材料、几何参数及切削用量的选择如下：

   1. 刀具材料为YG8，45°偏刀断续切削，使用磨削液让切削刃冷却。用工装夹持工件，每组加工8件，粗车切削用量V=25～38m/min，f=0.3～0.5mm/r，ap=3～5mm.如加工中间内孔，在连续切削的条件下精车，切削用量V=50～75m/min，f=0.1～0.2mm/r，ap=0.25～0.8mm。 - a8 @3 e; n: w E1 q
      前角g=8°～12°能保证刀具强度。
   2. 磨出0.05～0.1mm的负倒棱，增强切削刃强度。 - s) v! W3 Q" c8 B
   3. 后角a=15°～20°，以减少后刀面与工件的摩擦，提高刀具寿命。
   4. 粗车时，刃倾角l=-3°～-5°，精车时刃倾角l=-3°～0°。
   5. 粗车时，刀尖圆弧半径r0=0.5mm，精车时r0=1～2mm，以增强刀尖强度。
   6. 切削加工情况：通过以上参数选择，工件可获得R_a1.6的表面粗糙度，并能有效地提高刀具寿命，主切削刃在刃磨后用碳化硅油石研磨出倒棱，可消除刃磨产生的锯口，提高抗磨损能力，并增强主切削刃强度。
   ! j6 t2 z: l8 m) H: L
4. 加工零件两边U形弧槽 % ?/ B4 W# O5 C% R3 p, ^$ j
   图1所示U槽深约24mm，宽18mm，圆弧为28，弧形槽弦长61mm，为半盲槽，加工后底部弧面及两侧面壁厚为4mm。由于是半盲槽，刀具进入切槽后，铣削阻力增大，排屑不畅，刀具与切屑挤压现象严重，切削过程中有振动，刀具易崩刃，如继续切削，刀具将在颈部处折断。加工后的零件表面凹凸不平，表面粗糙度达不到要求。在选用刀具上，原选用硬质合金立铣刀加工，由于铣削产生的振动使铣刀崩刃，刀具寿命较短。后改用超硬铝高速钢铣刀(刀具牌号W6Mo5Cr4V2Al)切槽，取得了较满意的效果。其加工步骤如下： 4 Y8 H! t2 i$ g( g- g! P1 ~

   & r: G, X9 u4 L% a; n$ Q& ]( w
   1. 先将铣刀底部磨出圆角R2，后角值取8°～12°，并用油石修光。如果刀具底部圆角磨削不好及尺寸大小不一，或不等高，那么刀具的使用寿命则会降低。 1 m, A) ~* n* C: S6 T4 F
   2. 粗铣，取主轴转速300r/min，加磨削液。手动进给，两侧各留5mm，分两次铣削，第一次吃刀深度为12mm，第二次吃刀深度为10mm，底面保证最大尺寸留2mm余量。试验得知，一把刀在不受撞击，正常使用的情况下，可加工40件、80条这样的槽，然后将铣刀卸下刃磨，第二次刃磨后的铣刀，其耐用度稍差。如用硬质合金立铣刀加工，一把硬质合金铣刀在圆角处刃磨角度合理的情况下，也只能加工4条槽，但表面粗糙度达不到要求。使用超硬铝铣刀，其耐用度要比硬质合金铣刀提高10～12倍。 ' O- B' I3 g" G- p/ {$ A
   3. 半精铣，取主轴转速475r/min，进给速度475mm/min，不加冷却液。 6 i: q1 F- F9 J
   4. 装上工装精加工R388圆弧底面及两侧面尺寸4mm，圆角R2，取主轴转速475r/min，在圆盘上加工应保证逆铣，铣削中有振动，可调整圆工作台间隙，螺母调紧，减少振动。顺铣带刀严重，圆盘的窜动容易将零件啃伤，造成零件报废。试验得知，用超硬铝高速钢铣刀对工件进行半精加工至精加工，其经济价值非常可观，一把铣刀可直接加工120件，甚至还要多一些，而用硬质合金铣刀其使用寿命仅是它的十分之一。

2 `8 O& M. H1 l. p7 c- Q4 y3 ]

3 综合因素探讨

1 M& _0 E3 ~* v& P m! s

影响钛合金切削加工的因素很多，要依据实际零件加工情况从各个方面进行综合分析，找出最佳途径。下面就我厂这几年来在加工TA7、TC4材料零件中采取的几点措施作一简介。

$ h: o& I3 ], Y; d4 l6 k9 `
1. 切削机床、夹具的选择 $ ~; _# U( g* t, `1 M
   切削加工钛合金应选择刚性好、功率大、具有大的变速范围和进给范围的机床，以便于调整切削参数。切削加工前认真调整机床导轨间隙，或单独使用某一方向进给加工时，最好将另一方向的螺母锁紧，减少机床振动：夹具刚性要好，使用圆工作台时，应将其间隙调好，螺母锁紧。
2. 切削用量、刀具几何参数选择
   切削加工钛合金时，应重点考虑钛合金切削时会产生较高温度的因素，由于切削温度高，刀具磨损加快。切削温度一般取值为：硬质合金刀具切削温度应控制在600～800℃，高速钢刀具切削温度控制在450～560℃的范围内，还要严格控制切削用量，特别是切削速度不能高。在实际加工中要根据具体材料和不同加工工序进行选择，并使用充足的切削液，提高切削效率。切削钛合金刀具的几何参数见表2 ，切削钛合金的切削用量见表3 。

* }/ Z$ d5 a$ e$ u0 F& N0 G3 l% f5 M, b8 F# V# A% F) [, {( z( W( o' t. M' |3 ~, k0 H- F4 N# O% A7 [. [/ ?- E$ S) s( n* P/ r7 Y- y$ j! A6 P( r, U6 e- [, ~! c4 J. U5 w( S: j; w0 J4 I3 K# N {8 Y" l' ~8 L( l4 [: _, [+ r4 f( b1 D, W7 } k" S$ j" i) ^% v( b6 U1 w9 ]' e: s' i% _) S x* L, [* \3 ]; P, P( c" y7 g# I$ v$ Y# P+ x. k a8 N, r: j: k( J: H' V, a: ^6 s {; V! {" q# z) N0 A$ n3 K7 h& B6 s# G0 q4 |6 l7 B7 b6 z' I2 V+ Q y% c0 H0 ?: e* B2 i& t$ v0 m& ~ c g9 y$ m6 W9 S; d' d4 }9 l! N9 z" k4 D, @( C! y. h; v' z; j) O, Q: H. ^ ^; z U7 n$ k$ B+ ^ b: h* {4 S+ r- {1 w* p; q# i: d3 q) M" w2 v! o7 K5 j% D: ~4 [1 v6 h* v8 v4 y, F% {9 m9 d, e5 h1 R; Q2 w7 ]9 `, x( D+ A0 y$ l H; R. w9 B; |& M( @4 \7 ]* O3 g! y' n8 |" N3 v7 n( |' W6 [% b4 h0 ^* j4 R; _& b2 b7 H- i$ c+ e2 s4 m3 b& U, A$ e5 C

表2 切削钛合金切削用量(供参考)

刀具材料类型	前角	轴向前角	径向前角	主偏角	后角	副后角	副偏角	刃倾角	螺旋角
高速钢车刀	6°～12°			45°～90°	5°～8°		5°～15°	0°～5°
硬质合金车刀	3°～7°			45°～90°	8°～12°		15°	0°～5°
端铣刀	0°	5°～8°	-13°～17°	12°～60°	8°～12°	5°～8°	6°～10°
硬质合金立铣刀	10°～12°				12°	5°～8°	3°～5°		30°
高速钢立铣刀					15°～18°	6°～10°	1°～10°		35°～45°
高速钢盘铣刀	0°							10°

: ^! i/ c. T1 }# W3 x' F5 I- j: T9 w8 ^/ w8 j; L& o% C7 P) i& g" v7 T7 p8 X! d E7 v% T) Q' i5 F% s; }0 L4 _) Q w |' {# s) g" }& h# _' V% W) p$ K( ^' f9 B# w$ k4 C. h* p7 f) L4 a& R* r/ S* D% n% @# n9 _8 z! W T' z, p2 M0 _- E% }6 j( Q) P+ x( }, \# c) o3 F. T: d8 Y. }5 ?+ Q& t5 o/ Z* y; [ b& O2 m" g+ K; h% \4 `6 [ x9 F5 v% I6 U5 Q; D' ~2 N% _8 U6 C* K0 G7 X& X2 g& D; ]& N: r) H; U; a. R" @8 x+ h+ \# W) q- R: h3 J; ~7 u5 u, }; Q3 S% T# Q5 V8 O Y E/ B, I. M% [3 V& v; y8 j% B! }: U. s$ U c d) Y, C( ^+ _7 B0 k" c7 E2 A2 t5 {, y2 |- I; P7 p6 {6 `, x& J/ n. }/ B O1 o- K* i2 @2 Q* g' a" f8 O5 _$ u7 i! q& l6 K8 Q% Z8 ]4 p) X0 k6 Z: P% m4 R8 f# E" l" a' H) D& m6 m5 _2 _4 K% w+ O1 k& G) n1 |8 c; _# X! i3 n+ j0 d. @. r+ j! Z6 S' v7 Z, A, k+ m% \8 n% y; S! h; D4 I1 U/ f3 ^: N3 T* [) I+ b" C+ g3 N3 \8 \ V: L6 ]* q M' ~; p) ^ g: c2 Y- \% |) S+ O, h( x/ d, ^* E. Z T4 w, s; G( i6 _$ m! L, d( e: H7 h5 a' `& A! J: Z) E6 e0 @( t/ `4 f6 Z8 M1 v1 D# A2 E x4 T% C9 ?1 R* a8 S8 w- s5 O. e1 p- [* g' J! @3 ?) j4 K: p* \& \, p& u( c7 O w7 o9 B! T' E8 I+ M, O1 {' P- T* h( A8 {/ @* u$ `/ _* O4 A& o% N5 m1 ?8 U) c5 w/ O& }* X$ d# D! D, s7 Q( r8 L+ m9 a, }3 T$ j4 y& B/ ?! C# {! |" \( }# o f- O, {- j( o: b9 W- o/ I$ Z; `: f/ G5 a* b* v |& H; ] } D. }6 B5 ]6 W! }4 I3 ^3 ~0 N, X8 I% a1 o Y$ R2 v4 o3 c! M) r; ]" A \! I; T$ R6 C& P( Z2 Z+ `. B- R) e* Q5 G& r, b- m% g4 \9 y: t0 r0 ~4 V3 @" a* S1 f

表3 切削钛合金刀具的几何参数(供参考)

刀具类型	刀具材料	工件材料sb (MPa)	粗铣氧化皮				粗铣				精铣				冷却液
			切削速度 (m/min)	每齿进给量 (mm)	轴向切深 (mm)	径向切深 (mm)	切削速度 (m/min)	每齿进给量 (mm)	轴向切深 (mm)	径向切深 (mm)	切削速度 (m/min)	每齿进给量 (mm)	轴向切深 (mm)	径向切深 (mm)
端铣刀	硬质合金	≤1000	18～24	0.06～0.12	大于氧化皮深度	≤0.6D	24～37	0.10～0.15	1.5～6	≤0.6D	30～45	0.04～0.08	0.2～0.50		乳化液、磨削液
		>1000	15～20	0.05～0.10			20～24	0.08～0.12	1.5～6		24～30	0.04～0.06
立铣刀	硬质合金		29～37	0.03～0.06	大于氧化皮深度		30～38	0.08～0.13	10～30	1～4	47～75	0.06～0.08	0.5D～2D
立铣刀	高速钢	≤1000	5～10	0.1～0.13	大于氧化皮深度	大于氧化皮深度	10～19	0.1～0.13		1～3	15～37	0.06～0.10
		>1000	4～8	0.1～0.13			8～15	0.1～0.13			8～15	0.04～0.08
三面刃铣刀	高速钢	≤1000	7～14	0.06～0.08		6	11～22	0.06～0.08	0.5D～2D	1.5～3	14～28	0.05～0.07
		>1000	6～12	0.06～0.08		6	7～14	0.07～0.1			9～22	0.05～0.07
注：D为铣刀直径

3 u8 M( ?5 w8 L7 [$ k