鈦合金零件的車(chē)削加工
發(fā)布日期:2014-05-08 蘭生客服中心 瀏覽:5710
鈦合金具有的特殊性能使其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。很高的強(qiáng)度/重量比、極好的韌性和卓越的抗腐蝕性能使鈦合金可用于制作醫(yī)用人體植入件、高爾夫球桿頭以及軍用裝甲等。
但是,鈦合金零件的車(chē)削加工卻非常困難,令機(jī)械工藝師們望而生畏,他們認(rèn)為,鈦合金的超級(jí)性能大大削弱了其可加工的“能力”,使其切削加工極具挑戰(zhàn)性。
這種看法雖有道理,但并不全面。本文探討了鈦合金的車(chē)削加工策略,對(duì)機(jī)械工藝師們加工這種用途廣泛(如賽車(chē)零件、水下呼吸裝置等)的難加工材料以及應(yīng)用新的切削技術(shù)將有所幫助。
鈦合金生產(chǎn)商--RTI國(guó)際金屬公司的高級(jí)項(xiàng)目專(zhuān)家BillHeadland指出,雖然許多加工車(chē)間將鈦合金加工視為畏途,但實(shí)際上鈦合金包括的品種范圍很廣,你必須了解你所加工的是哪一種。鈦合金的牌號(hào)很多,有些牌號(hào)加工難度極大,而另一些牌號(hào)卻并非如此。商用純鈦(CP牌號(hào))是一種非合金材料,通常用于制造醫(yī)用零件、熱交換器和眼鏡框架等。CP牌號(hào)具有卓越的抗腐蝕性,且相對(duì)而言較易加工。但與其它鈦合金相比,其強(qiáng)度很低,且又粘又軟。
在純鈦中加入合金后,改變了其晶相(晶體結(jié)構(gòu)),也改變了材料的特性和機(jī)械加工性。α鈦合金和準(zhǔn)α鈦合金中包含了如鎳、鋁、釩等添加成份。這些中間牌號(hào)鈦合金的可切削性相當(dāng)不錯(cuò)。α-β鈦合金牌號(hào)可能包含有更多的鋁和釩。工業(yè)用主流鈦合金Ti6Al4V就是一種α-β鈦合金牌號(hào),其中包含了約6%的鋁和4%的釩。Ti6Al4V及其變種大約占到目前所用鈦合金的50%-70%.
添加了鐵、鉻等成分的β牌號(hào)鈦合金是最難以加工的牌號(hào)之一。由于具有高的斷裂韌性和優(yōu)異的抗高周期疲勞性能,β牌號(hào)的機(jī)械加工性與Hastelloy鎳基合金及類(lèi)似材料相近,其典型的應(yīng)用實(shí)例是制造輕型彈簧,用于觸發(fā)水下發(fā)射戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的可折疊尾翼。
各種鈦合金呈現(xiàn)出各不相同的切削性能。有人認(rèn)為,加工一個(gè)Ti6Al4V工件所需的時(shí)間通常是加工一個(gè)鋼件的三倍;而有人說(shuō),加工一個(gè)Ti5553難加工β牌號(hào)工件所需的時(shí)間則是加工一個(gè)Ti6Al4V工件的兩倍。
在車(chē)削加工中,鈦合金最重要的特性就是熱傳導(dǎo)性差。由于切削時(shí)產(chǎn)生的高溫很難被工件吸收而聚集于刀具切削刃上,過(guò)多的熱量促使切削刃與切屑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生月牙洼磨損。
鈦合金還具有加工硬化趨勢(shì),因此,通過(guò)剪切而不是擠壓去除金屬至關(guān)重要。此外,雖然鈦合金具有很高的強(qiáng)度,但同時(shí)也具有較低的彈性模量,這就意味著與其它材料相比,鈦合金相對(duì)更具彈性且更容易離開(kāi)切削刃(尤其在輕載切削時(shí))。綜合考慮鈦合金的這些特性,為了成功實(shí)現(xiàn)鈦合金的車(chē)削加工,關(guān)鍵是必須實(shí)現(xiàn)切削速度、進(jìn)給率和切削深度的平衡。
切削速度是影響切削熱產(chǎn)生的首要因素。山特維克可樂(lè)滿的車(chē)削專(zhuān)家StefanGyllengahm曾經(jīng)花了三年半時(shí)間為工具制造商開(kāi)發(fā)刀具牌號(hào)。在此期間,他在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了Ti6Al4V的切削試驗(yàn),結(jié)果表明,切削速度的選擇必須十分小心:在某些情況下,當(dāng)切削速度提高10%-15%,則刀具壽命會(huì)從40件下降為6件,這表明切削速度的調(diào)整幅度過(guò)大。他還發(fā)現(xiàn),當(dāng)以不會(huì)縮短刀具壽命的切削速度進(jìn)行車(chē)削時(shí),如果提高進(jìn)給率,則會(huì)達(dá)到一個(gè)有損刀具壽命的臨界溫度,因?yàn)榇嬖谝粋(gè)熱量過(guò)多的極限范圍。
刀具幾何形狀在控制切屑形態(tài)以散熱方面起著關(guān)鍵作用。較寬和較薄的切屑擴(kuò)大了正在形成的切屑與切削刃之間的接觸面積,從而可減少熱量在切削刃的聚集。如果切屑較薄,產(chǎn)生的熱量較少,切削速度就可以更快一些。
例如,使用具有-5°標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)程角的C型(80°)金剛石刀片進(jìn)行粗加工時(shí),切屑厚度與進(jìn)給率大致相等;而采用安裝導(dǎo)程角為45°的正方形刀片則可以使被切除的金屬(以及切削熱)沿著較長(zhǎng)的切削刃擴(kuò)散。圓刀片在理論上將這一概念發(fā)揮到了極致(但僅限于切深較小時(shí))。Gyllengahm表示,通常在切深較小時(shí),采用圓刀片可獲得很薄的切屑。但是,考慮到具有12.7mm內(nèi)切圓的圓刀片在切深大于2mm時(shí)其有效導(dǎo)程角會(huì)減小,因此最好使用方刀片,因?yàn)樵谙嗤那猩钕拢降镀匀痪哂?5°導(dǎo)程角。
Bill Skoretz是Patriot Forge公司加工分部的經(jīng)理,該公司提供從低合金鋼、不銹鋼到特殊牌號(hào)鋁合金、鈦合金等各類(lèi)原材料,有時(shí)也會(huì)為公司的客戶加工鈦合金零件。當(dāng)討論車(chē)削鈦合金所面臨的挑戰(zhàn)時(shí),他重點(diǎn)回顧了車(chē)削軋鋼機(jī)用冷卻液噴頭的經(jīng)歷。這種耐腐蝕的鈦合金牌號(hào)具有磨蝕性。由于鈦合金具有回彈性,因此必須采用正的刀具幾何角度,而且要重視刀具頭部的形狀。如果刀具的底角或前角過(guò)小,刀具就會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生拉力,從而帶來(lái)很多問(wèn)題。因此,必須在刀具頭部正的幾何角度與對(duì)切削刃的支撐之間找到最佳平衡。
Skoretz從歷史的角度描述了切削刀具的發(fā)展現(xiàn)狀。在開(kāi)發(fā)出硬質(zhì)合金刀具之前,主要采用高速鋼刀具來(lái)切削鋼材。硬質(zhì)合金刀具的出現(xiàn)使采用正的幾何角度成為可能,但機(jī)床必須具有足夠的功率。負(fù)前角刀片只能使鈦合金材料發(fā)生折疊或擠壓,而難以將其切除。但他又警告說(shuō),如果刀片的正前角過(guò)大,也會(huì)對(duì)鈦合金材料形成拉力。因此,必須在壓應(yīng)力與拉應(yīng)力之間找到平衡。他提到過(guò)去曾使用過(guò)在切削刃上制備有0.1mm或0.13mm的T型刃帶的刀片,“主要為了刀刃的安全,不能采用太鋒利的切削刃,因?yàn)樗S持不了多久。”他在加工中還采用了油基切削液,但主要是利用其潤(rùn)滑特性而不是冷卻能力。
其他加工車(chē)間也有不同的鈦合金車(chē)削方法,因?yàn)槿魏尾牧系娜コ庸ざ即嬖诟鞣N不同的解決方案。
Rayco Machine公司有30%的業(yè)務(wù)是加工賽車(chē)零件,其中有許多是價(jià)格昂貴的鈦合金零件,因?yàn)轫敿?jí)賽車(chē)隊(duì)愿意為重量輕、強(qiáng)度高的零件支出額外費(fèi)用,以使他們的賽車(chē)保持在規(guī)則允許的最小重量但同時(shí)仍能對(duì)其整個(gè)車(chē)身重量的分布保持控制。例如,減小旋轉(zhuǎn)部分和非懸掛部分(如車(chē)輪和剎車(chē)部件)的質(zhì)量可以有效提高加速度和操控性能。Rayco公司車(chē)削加工的鈦合金零件中包括運(yùn)行于制動(dòng)鉗與轉(zhuǎn)子之間的零件。
與Skoretz一樣,Rayco公司總裁Greg Cox也表示,為了成功地車(chē)削鈦合金,需要采用均衡兼顧的方法。他認(rèn)為,選擇切削參數(shù)時(shí),很重要的一點(diǎn)就是加工時(shí)不能推擠工件材料,否則容易產(chǎn)生加工硬化,給加工造成很大麻煩。Rayco公司通常采用的加工參數(shù)為:切削速度120sfm,進(jìn)給量0.13-0.20mm.
切削深度也很重要。同樣,適度的切深是最佳選擇。Rayco公司采用的最大切深為0.8-1mm.Rayco公司的鈦合金零件加工批量可高達(dá)200件,但大多是在5-20件之間。Cox表示,Rayco公司也在持續(xù)改進(jìn)工藝,但涉及到切削參數(shù)時(shí)必須小心謹(jǐn)慎,因?yàn)殁伜辖鹣喈?dāng)昂貴,不能蠻干以免導(dǎo)致零件報(bào)廢。鈦合金的價(jià)格上漲很快,去年從47美元/磅上升到了68美元/磅。鈦合金高企的價(jià)格也使工件材料的庫(kù)存緊縮。
潛水裝備制造商Atomic Aquatics公司的研發(fā)和制造分公司總經(jīng)理Scott Holland表示,用鈦合金加工水下呼吸器時(shí),“我們總是試圖不斷提高加工效率,以縮短加工時(shí)間、加工更多工件和延長(zhǎng)刀具壽命!钡(dāng)他們嘗試加工更多零件時(shí),隨之而來(lái)的是刀具突然折斷。因此,Holland希望能達(dá)到一個(gè)最佳均衡點(diǎn),但這種均衡并非只是數(shù)字與程序。Holland有近十年的鈦合金加工經(jīng)驗(yàn),他也依賴(lài)觀察工件和刀具的形態(tài)、傾聽(tīng)切削噪聲來(lái)掌握這種均衡。Holland表示,加工鈦合金也可以比較簡(jiǎn)單,“如果使用鋒利的刀具并按自己估計(jì)的時(shí)間換刀,則只能在有限范圍內(nèi)加工鈦合金。你可以按自己的方式進(jìn)行嘗試,但并不一定奏效。鈦合金的加工有一定的規(guī)律,如果你掌握了這些規(guī)律,就可以得心應(yīng)手!
鈦合金日益廣泛的應(yīng)用推動(dòng)了以高效車(chē)削鈦合金為重點(diǎn)的切削技術(shù)發(fā)展。山特維克可樂(lè)滿公司加工管理與技術(shù)支持高級(jí)經(jīng)理Chris Mills強(qiáng)調(diào),車(chē)削鈦合金時(shí),化學(xué)磨損是主要的刀具失效機(jī)理,而切削高溫加速了化學(xué)磨損。
當(dāng)滾燙的切屑劃過(guò)刀具前刀面時(shí),實(shí)際上會(huì)從刀片中“拔出”鈷。Mills介紹了通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)降低切削溫度的方法:第一步是利用刀具幾何設(shè)計(jì)(如采用帶45°導(dǎo)程角的方刀片或圓刀片)來(lái)減薄切屑厚度,以降低切削溫度,減少由此引起的月牙洼磨損,最終能夠使用較高進(jìn)給率和延長(zhǎng)刀具壽命;第二步是使用具有特殊形態(tài)的高壓冷卻液。這種冷卻液不僅具有高壓力,而且呈現(xiàn)出非常精確的層流噴射形態(tài),可以在切屑與刀片前刀面之間形成“水楔”,以托起切屑,使其與前刀面的接觸最小化,從而避免產(chǎn)生月牙洼磨損。
山特維克的這種Jetbreak冷卻系統(tǒng)的壓力為1000-3000psi,采用直徑1.27mm的噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)乳化冷卻液,它不僅具有冷卻作用,而且能產(chǎn)生托起切屑的升力,可降低切屑與前刀面之間的摩擦和溫度。使用該系統(tǒng)可使切削速度提高50%.
Mills描述了綜合采用上述兩種降溫策略的效果:采用-5°導(dǎo)程角的CNMG刀片以優(yōu)化的切削參數(shù)(切削速度:40m/min,進(jìn)給率:0.3mm/rev)加工鈦合金時(shí),刀具壽命約為20分鐘;而采用圓刀片或45°導(dǎo)程角的方刀片進(jìn)行加工時(shí),可將切削速度提高到50-60m/min,進(jìn)給率提高到0.4mm/rev,并可保持類(lèi)似的刀具壽命。由于在相同時(shí)間里可以切除更多的工件材料,僅僅采用方刀片就可使生產(chǎn)率翻番,如果再采用高壓冷卻系統(tǒng),還可將切削速度再提高50%。
高壓冷卻液必須通過(guò)機(jī)床主軸內(nèi)部的通道(而不是外部管道)輸送。冷卻液流經(jīng)山特維克Capto快換工具夾頭上的一個(gè)專(zhuān)用連接器,由Capto控制其壓力。在安裝機(jī)床時(shí),可以很容易地安裝這種高壓冷卻系統(tǒng)。
對(duì)于經(jīng)常加工鈦合金零件(特別是昂貴的大型航空零部件)的車(chē)間,提高50%的生產(chǎn)率值得他們投資購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)用刀具夾頭和安裝了高壓冷卻系統(tǒng)的機(jī)床。這種高壓冷卻系統(tǒng)在車(chē)削鈦合金時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),因?yàn)椴粫?huì)像加工其它工件材料那樣產(chǎn)生月牙洼磨損。
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鈦合金的切削刀具材料
刀具種類(lèi) 刀具材料 高速鋼 硬質(zhì)合金 車(chē)刀 - YG6X、YA6、YG3X、YGRM、YG8、YG10H、813、643 銑刀 W12Cr4V4Mo、W2Mo9CrV4Co8、W12Mo3Cr4V3Co5Si、W6M
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造成鈦合金切削加工性差的原因
材料切削加工性常采用一定刀具耐用度下切削某種材料所允許的切削速度來(lái)衡量。通常取T=60min,則vT寫(xiě)作v60,若將硬質(zhì)合金車(chē)刀切削碳鋼時(shí)的v60作為基準(zhǔn),切削其它材料時(shí)允許的切削速度為v60'則v60'同v60的比值稱(chēng)為該材料相對(duì)切削加工
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鈦合金加工要求
圓刀片銑刀適用于銑削鈦金屬,因?yàn)樗鼈兊闹髌强蛇m當(dāng)變化。只要為這些銑刀配備專(zhuān)用刀片并應(yīng)用正確的切削參數(shù),一般情況下就能提高穩(wěn)定性和總體性能。每齒進(jìn)給量應(yīng)設(shè)定最小值,這一點(diǎn)至關(guān)重要。 一、鈦合金銑削需要合適條件 與其他大多數(shù)金屬材料加工相比,
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鈦合金車(chē)削用量
進(jìn)給量f(mm/r) 切削速度v(m/min) 0.08~0.12 87~69 0.13~0.17 71~59 0.18~0.24 62~51 0.25~0.30 53~47 0.33~0.40 48~41 0.45~0.
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