钛合金薄壁件车削加工的研究

koufai6732

某航空发动机易损件图(略) ，最小壁厚为2mm，总长400mm，是一个典型长薄壁件。技术要求较高，孔径公差为0.046，外圆公差为0.03，表面粗糙度Ra为1.6。为保证壁厚差，孔与外圆必须同轴，加工难度较大。材料从俄罗斯进口，牌号为BT20，屈服强度和抗拉强度sb=90～110kg/mm2，比TC4难加工。磨削钛合金易阻塞砂轮，烧伤已加工表面，因此只能采用车削，以车代磨。
表1 切削钛合金选用的刀具材料
9 L  Q- I3 e& D牌号
ISO
HRA
sbb
YG3X
K01
91.5
110
YG6A
K10
92
4 U( p) U' D2 T. Y* K1 ?3 O/ ]140
) p0 {  V4 d9 z/ v$ hYG6X
K10
4 K3 \/ W; O$ @91
! ^/ y! X, w/ G2 N2 g/ A140
YG8
- C1 c2 M4 U1 Q' Z9 lK30
6 O) O9 a6 M- d89
  i/ D2 D" J2 w8 C# x6 p8 \+ R# ?150
YG8W
0 D0 b6 y, O) dK25
3 T4 |( P, D% p* R5 @' X92
200
: {0 s, _* |4 d8 kYG813
+ o9 j9 z8 Y  g* {K20
8 w2 y2 W$ o- K( o' S91
/ N" F& t: p5 g! g! I0 F* l160
8 H+ x. X+ |" P4 x3 l. GYG643
K05
93
+ p# V/ Z) C" N8 F150
0 `1 f5 {9 e/ [* n* }6 q! mYG10HT
K30
92
220
YL10.2
# L3 W% b1 A! V" xK35
/ o. G4 ?( i" ^/ X# p2 P; OHV1600
220
YS2T
+ t- B. H6 v; Y, j8 fK30
91.5
180
YD15
- H  Y+ `  g4 C- x0 u) t- e$ x4 _K01
8 q' g. M! ?% R. K91.5
$ I, j! Y5 w+ _. Z170
Y310
! S( I2 ?: E. z$ D  D1 j0 wK05
92
125
Y320
K20
7 s' v  y: K% @: f" q5 b" }91.5
0 r4 t& N6 d6 u& B% f180
9 l9 F, _: P& i- |6 ^1 o4 P8 OY330
K30
% c; G5 _& ?  x( K/ u2 t90.3
& Q# o2 D+ R. d. Z! w200
YM051
K10
3 o! Q4 H0 S& t) R92.5
  `+ V; t- R- @& f& k) N- n162
! [. J1 a; o2 L% s# W/ M/ k; j1 刀具材料及几何参数的选择
钛合金导热性能很差，为45号钢的1/6～1/7。选择刀具材料时，要考虑刀具材料的导热性能，YG类优于YT类。切削钛合金产生单元切屑，变形系数近似为1，刀屑接触长度很短，切削力集中于刃口附近，单位切削力大，易崩刃。要求刀具材料韧性要好，sbb>150kg/mm2，钛合金化学性能活波，易与空气中的氧和氮产生硬脆化合物，加快刀具磨损；钛与刀具中的元素易亲合，加工钛合金使用的刀具材料要少钛或无钛元素。优选YG类硬质合金，不是用YT类硬质合金。切削钛合金使用的刀具材料件见表1。
1 W3 _: m, g& m7 W6 t6 i钛合金弹性模量小，为45钢的1/2，加工变形大。刀具后角要大些，取a0=15°～18°，减少加工表面与后刀面间的摩擦。前角也要选大些g0=10°，刀具锋利，减小加工变形，降低加工硬化，提高已加工表面质量。主偏角kr=90°降低径向力，防止振动。刀尖圆弧半径决定刀尖强度、散热及磨损，不易过大，re=1～2mm合适。切削钛合金，刀具必须锋利，钝刀不能进行切削。刀具钝圆半径必须小，也就是选用细晶粒材料，才能使钝圆半径降低。同时，使刀具材料硬度提高，而韧性不下降。提高刀具刃磨质量，用金刚石、立方氮化硼砂轮磨刀。前后刀面粗糙度Ra≤0.1µm，降低切屑与前刀面。工件与后刀面间的摩擦。刃口要平直，无锯齿，减轻崩刃磨损。
0 u  q) R  J* R* V4 t' a2 切削用量
# f0 Y3 J; P8 ]" U$ ^7 K1 e粗车钛合金目的是去除大的余量，应保证较大的刀具耐用度。VB=0.4mm，切削速度不高，一般V≤35m/min，刀具耐用度T=60min，切削刃度ap≤4mm，走刀量f≤0.24mm/r，且加大流量溶液冷却。精车钛合金目的是保证尺寸精度和表面质量，一般ap≤1mm，磨钝标准VB=0.2mm，尽量采用高的切削速度和必要的刀具耐用度，切削速度35m/min≤V≤140m/min，刀具耐用度T=30min。用机油冷却润滑，降低刀屑间的摩擦系数，提高已加工表面质量。车削用量如表2所示。
& r. H3 u( C" m$ ], |8 ?表2 切削参数
NO
/ q. j# b( S$ G7 T0 v( `" J1
; R4 ~1 y& x" j( h2
3
4
5
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# E" K* s/ O0 B& H7
8
( `7 h" O9 l4 b# _: G( A9
2 k$ A: K8 G) u/ V7 [9 I  Y10
11
12
9 ]# L3 z( t: s, k3 G3 y* R13
14
$ q( }0 Z2 W- R15
' O  R  c: J$ L$ [% [% V' s: C- R16
' n; U+ S- s6 K8 s17
18
1 H7 ~" c* {( B19
20
3 t0 t5 P& I: \) uV(m/min)
( P+ D+ ?$ T& L- P8 a# I5 `13.2
0 V4 R: ]# C8 F- z14
21.1
23.3
9 |: Y9 b  Z* r" W+ n/ g/ W30
31.7
35
37.7
40
- m. p2 Q- y, s7 T; R45.2
4 F0 D/ A( e8 U; f) ^& C1 J45.8
50.2
2 b9 ~- y7 F& e$ N1 |9 Y2 s8 O69.9
9 o1 }9 s) S4 v  {70.7
76.4
89.4
; {+ X: H) F/ \% e. r111.8
# c+ p' I6 @4 k, A( h127.2
7 r, l: u. H6 x130.2
: @  q6 D. K( Z141.3
f (mm/r)
) g) L$ [1 I- U  a# K$ z7 N0.24
- u; }$ `2 y, I. q0.24
$ k) t* n6 v' v, J# f; \0.24
0.24
9 }7 T! L: L! l1 t! E0.2
0.2
0.2
% D, w: e4 F2 V* X: G0.16
( F  B$ s4 O, P6 {! G0.12
; v6 E& _; w" N0 M- n0.16
3 a4 @! Z: k9 i+ i0.1
0.2
# H& E; d" a* Y5 p- t6 h' C+ {0.13
0.13
0.1
. ?! c2 y- ?) N1 L0.1
) P# _- ]/ \" d& u9 p0.1
0.1
0.1
3 q) w1 ~1 I" y0.1
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( y2 ~$ S: H: r3 v) G% |3
3
) k: b# e, S2 F1 y3
3
- k5 N7 e6 s5 h; F$ K9 {2.5
7 y! R. Q0 T$ y2 m- Q' `( [2.5
2.5
2.5
$ n1 X" h: ]4 G, i; i# e6 x1.5
6 x7 T& X$ [. s/ i' u9 ?5 N; f3 M1
3 X' c* {/ `- |1 |1
6 M! S# }% G3 Y; k1
0.5
0.5
0.5
0.5
0.3
* U$ z6 k1 j1 v" t0 n0.3
" N7 i+ R: n3 Y9 B8 |0.3
0.3
3 刀具磨损原因及刀具耐用度
加工钛合金，刀具磨损发生在后刀面和刀尖处。钛合金弹性模量小，切削时回弹大，后刀面与加工表面接触面积大，加速了摩擦。显微镜下可看到犁沟。刀尖处散热条件差，温度较高，磨损严重。尤其是精车时，后刀面磨损量没有达到磨钝标准时，因刀尖磨损过快，使刀具丧失切削性能。前刀面看不到明显磨损痕迹，原因是刀屑接触长度短，磨损的主要形式是崩刃和微崩刃。显微镜下可看到锯齿形刀刃。加工钛合金粘刀现象十分严重。无论是高速切削还是低速切削都有粘刀问题。干切削更为明显。
粘结磨损是加工钛合金的主要磨损原因。当切削速度较高时，切削温度达600℃以上时，扩散磨损占的比例较大。空气中的氧氮与钛合金反应生成硬脆化合物加剧了刀具的磨料磨损。因此加工钛合金刀具磨钝标准定得较低，刀具耐用度较低，而切削速度还是比较低的。具体数值见表3。
9 _7 r2 h1 K" ^4 F: ]: G3 m4 b表3 刀具耐用度与切削速度
: |0 V% R5 _1 c7 r9 [* o/ r) L4 N4 J( B6 EVB(mm)
/ e+ L" b, X3 {" k8 CV(m/min)
. @, r& t8 g. U4 U$ H; [T(m/min)
. i. [( X( m$ l% z4 e. B0.2
50～140
30
0.3
& d1 ]  _% A9 Y& B+ I0 ]35～50
60
; v, Z6 l7 B6 T2 l7 }6 N) l/ s0.5
20～35
90
5 h0 j1 }  {; ^; S4 P; i4 W0.6
>20
120
. e/ x. x# P: dYG类g0=10°，a0=18°，干切削，湿切削时，T加倍
4 零件加工工艺及表面质量
/ i( A' l& l* c/ l- F使用的车床功率要大，主轴回转精度要高，进给机构无爬行。刀杆刚度足够。零件装夹要牢固。例如：车Ø74外圆时，中部用中心架支撑，提高了装夹刚度，降低了长径比。加工顺序为：先加工Ø65里孔，后加工Ø74外圆及空刀处。里孔可用单刃镗刀切削，让刀量大。改用浮动镗刀效果较好，里孔达到尺寸精度后，用卡盘与顶尖装夹车外圆，孔中放置减震材料。刀具必须锋利。一旦振动，立即换刀车去振源。用塑料胀胎夹具加工外圆效果较好。镗孔速度不易过高，V=20m/min较好。控制回弹量。最小切削深度0.05mm。当ap太小时不能形成连续切屑，容易产生振动。夹持刚度较好时，车外圆ap=0.01可行成连续切屑。切削钛合金只要不振动，表面粗糙度Ra1.6µm是可以达到的。刀具锋利，表面质量也较好。
5 U" Y. W) C; J. L! a0 G使用锋利的硬质合金车刀切削钛合金，加大流量润滑液冷却润滑。切削速度V≥100m/min时，车外圆表面粗糙度可达Ra0.8µm，已加工表面硬化较轻，残余应力较小。比较高的尺寸轻度容易获得。ap=0.005mm时，可形成连续柔软的切屑，达到磨削的尺寸精度和粗糙度。镗孔有一定的难度，主要原因是：机床、夹具、工件和刀具组成的工艺系统刚度不足。一旦振动，孔壁质量立即下降。粗糙度Ra1.6µm还是容易达到的。
9 [6 }& r# P" d  d2 M5 结论
钛合金薄壁件车削加工比铣削容易些。车削为连续切削，没有冲击。切屑为单元切屑，不存在断屑难的问题。钛合金弹性模量小，屈强比大；切削时弹让大，需变形能大。选择刀具材料硬度要高，韧性要好，sbb≥200kg/mm2，且不含TiC。刃口要锋利，后角要大，钝圆半径要小。避免使用钝刀切削。钛合金既硬又韧，导热又差；粗车时，保证必要的刀具耐用度，确定切削速度；精车时，为完成以车代磨，尽量采用高速切削；可降低表面粗糙度，减轻已加工表面加工硬化和残余应力。提高机床、夹具、工件和刀具组成的工艺系统刚度，可解决钛合金薄壁件车削加工变形问题。
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