加工中心精加工钛合金的工艺分析

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    钛合金材料由于其密度小，比强度高，耐高温，抗氧化性能好等特点，应用广泛。但钛合金机械加工性能差，影响了该材料的广泛使用。 
    钛合金即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。 
    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·℃。 
    钛合金机加工特性分析 
    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。 
    钛合金在加工中心上的铣削案例分析 
    零件的结构形式，见图1。 

    图1 零件外形尺寸
    该零件的特点是：
　　·形状较复杂，精度要求高。 
　　·加工过程中必须进行多种工序加工。 
　　·必须严格控制零件公差范围。 
　　·价格昂贵，加工成本高。 
    加工中心加工钛合金特点 
　　·加工中心可以多个零件同时加工，提高生产效率。 
　　·提高零件的加工精度，产品一致性好。加工中心有刀具补偿功能，可以获得机床本身的加工精度。 
　　·有广泛的适应性和较大的灵活性。如本零件的圆弧加工、倒角和过渡圆角。 
　　·可以实现一机多能。加工中心可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝等一系列加工。 
　　·可以进行精确的成本计算，控制生产进度。 
　　·不需要专用夹具，节约大量成本经费，缩短生产周期。 
　　·大大减轻了工人的劳动强度。 
　　·可以与UG等加工软件进行多轴加工。 
    刀具材料的选择
    刀具材料选用应满足下列要求： 
　　·足够的硬度。刀具的硬度必须要远大于钛合金硬度。 
　　·足够的强度和韧性。由于刀具切削钛合金时承受很大的扭矩和切削力，因此必须有足够的强度和韧性。 
　　·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。 
　　·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试验表明，采用高钴刀具效果理想，钴的主要作用 能加强二次硬化效果，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着较大区别。 
　　·螺旋角β 选择较小的螺旋升角，排屑槽增大，排屑容易，散热快，同时也减小切削加工过程中的切削抗力。 
　　·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。 
　　·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，适当大的进给量，合理的切深和精加工量，冷却要充分。 
　　·切削速度Vc Vc=30～50m/min 
　　·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。 
　　·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。 
　　·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。 
　　选用合成水溶性乳化液，也可自配用冷却液。 
　　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的效果。 
　　通过对钛合金的特性分析，解决了钛合金切削加工过程中存在的难题；通过编制正确、科学的加工工艺，可以降低成本，提高生产效率，得出如下结论： 
　　·用加工中心精加工钛合金，满足了零件形状复杂，高精度的要求，且可多件同时加工，提高生产效率。 
　　·高钴刀具材料是钛合金理想的加工刀具。 
　　·选择合理的刀具几何参数、切削参数、冷却液，可以延长切削刀具寿命，提高生产效率。 
　　·安排出合理科学的工艺规程是提高效益、节约成本的最佳方法。