钛合金的加工特点及工艺分析

AIJUN · 发表于 2011-7-13 23:52:54

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钛合金材料由于密度小、比强度高、耐高温、抗氧化性能好等特点，在航空航天等领域应用广泛。但钛合金的机械加工性能差，影响了该材料的广泛使用。
钛合金是在工业纯钛中加入合金元素，以提高钛的强度。钛合金可分三种：a钛合金，b钛合金和a＋b钛合金。a+b钛合金是由a和b双相组成，这类合金组织稳定，高温变形性能、韧性、塑性较好，能进行淬火、时效处理，使合金强化。钛合金的性能特点主要表现在：
（1）比强度高。钛合金密度小(4.4kg/dm3)、重量轻，但其比强度却大于超高强度钢。
（2）热强性高。钛合金的热稳定性好，在300～500℃条件下，其强度约比铝合金高10倍。
（3）化学活性大。钛可与空气中的氧、氮、一氧化碳、水蒸气等物质产生强烈的化学反应，在表面形成TiC及TiN硬化层。
（4）导热性差。钛合金导热性差，钛合金TC4在200℃时的热导率l=16.8W/m·℃，导热系数是0.036卡/厘米·秒·℃。
钛合金切削加工特性分析
首先，钛合金导热系数低，仅是钢的1/4、铝的1/13、铜的1/25。因切削区散热慢，不利于热平衡，在切削加工过程中，散热和冷却效果很差，易于在切削区形成高温，加工后零件变形回弹大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快，耐用度降低。其次，钛合金的导热系数低，使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削热不易散发，加速刀具磨损。最后，钛合金化学活性高，在高温下加工易与刀具材料起反应，形成溶敷、扩散，造成粘刀、烧刀、断刀等现象。
加工中心加工钛合金的特点
（1）加工中心可以同时加工多个零件，提高生产效率。
（2）可提高零件加工精度，产品一致性好。加工中心具有刀具补偿功能，可以获得机床本身的加工精度。
（3）具有广泛的适应性和较大的加工灵活性。
（4）可实现一机多能。加工中心可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝等一系列加工。
（5）可以进行精确的成本计算，控制生产进度。
（6）不需要专用夹具，可节约成本经费，缩短生产周期。
（7）可大大减轻工人的劳动强度。
（8）可利用UG等CAD/CAM软件进行多轴加工。
刀具材料的选择
选用刀具材料应满足下列要求：
（1）足够的硬度。刀具的硬度必须要远大于钛合金硬度。
（2）足够的强度和韧性。由于刀具切削钛合金时要承受很大的扭矩和切削力，因此必须有足够的强度和韧性。
（3）足够的耐磨性。由于钛合金韧性好，加工时切削刃要锋利，因此刀具材料必须有足够的抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。这是选择加工钛合金刀具最重要的参数。
（4）刀具材料与钛合金亲合能力要差。由于钛合金化学活性高，因此要避免刀具材料和钛合金形成溶敷、扩散而成合金，造成粘刀、烧刀现象。
经过对国内常用刀具材料和国外刀具材料进行的切削试验表明，采用高钴刀具效果理想，钴的主要作用是加强二次硬化效果，提高红硬性和热处理后的硬度，同时具有较高的韧性、耐磨性、良好的散热性。
铣刀的几何参数
钛合金的加工特性决定刀具的几何参数与普通刀具存在较大区别。
（1）螺旋角β：选择较小的螺旋升角，增大排屑槽，排屑容易，散热快，同时也减小切削加工过程中的切削抗力。
（2）前角γ：切削时刃口锋利，切削轻快，避免钛合金产生过多切削热，从而避免产生二次硬化。
（3）后角α：减小刀刃的磨损速度，有利于散热，耐用度也得到很大程度的提高。
切削参数选择
钛合金机加工应选择较低的切削速度，适当的进给量，合理的切深和精加工量，冷却要充分。
（1）切削速度Vc：Vc=30～50m/min。
（2）进给量f：粗加工时取较大进给量，精加工和半精加工取适中的进给量。
（3）切削深度ap：ap=1/3d为宜，钛合金亲合力好，排屑困难，切削深度太大，会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现象。
（4）精加工余量αc：适中，钛合金表面硬化层约0.1～0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化层上，刀具容易磨损，应该避免硬化层加工，但切削余量不宜过大。
冷却液
钛合金加工最好不使用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆，也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂。可选用合成水溶性乳化液，也可自配冷却液。
切削加工时冷却液要保证充足，冷却液循环速度要快，切削液流量和压力要大，加工中心都配有专用冷却喷嘴，只要注意调整就能达到预期效果。
通过对钛合金的特性分析，编制正确、科学的加工工艺，可以降低成本，提高生产效率。
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