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。
& A8 o  K) C4 j3 R) }表1 切削钛合金选用的刀具材料
9 T7 e) I4 W- @4 a牌号
ISO
% `3 ?0 v/ H: V) n- j) IHRA
8 k( L; o+ w, ]/ T4 V  H0 x% z( [sbb
YG3X
K01
91.5
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92
9 S9 v5 m% x$ w0 W  x140
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91
140
6 v: Z6 `2 o( R1 h+ F3 l( r  z; GYG8
# Y/ [, p6 @6 H: Y+ Z7 yK30
89
150
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K25
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200
YG813
$ A7 {1 X- Q# _: Y% bK20
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150
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92
220
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220
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K20
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180
Y330
K30
90.3
200
YM051
  d: B. ^$ O3 o. ?; }; IK10
& Y5 h$ i: j2 m+ f0 }# M92.5
3 P( Z2 T  a% \8 |/ o162
1 刀具材料及几何参数的选择
9 n7 B3 u: G% L% h& y9 \3 _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。
$ B8 b, E5 l0 N8 r# @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。
2 切削用量
! [4 u( _2 f1 z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。
) F: q, [* h" R; X表2 切削参数
1 I/ R+ Y+ z6 T2 N% e4 y# z4 u4 mNO
1
6 F4 v+ d, H0 E1 f2
3
0 a) e- p* c' N' Y7 N# U4
  W: S' |9 a" h2 Z  K4 U( N+ Q5
6
7
8
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10
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12
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1 k# W% P$ I9 p3 I7 a17
1 X. T7 C) W6 S18
19
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& a# |9 C! c: E% h0 p13.2
3 L3 X- [: f" Y4 @8 }14
) }: D0 P6 Y# Y! g1 d21.1
8 d. ^. N4 R, p. U2 I9 R23.3
30
( A, p2 M0 f' G) g3 x) ?31.7
35
( _, ]$ i3 Y( b! }" w37.7
. d- A- K, V9 q40
4 T0 ^) L/ B; D2 v45.2
( j9 n! {) ~( m45.8
50.2
69.9
70.7
76.4
89.4
111.8
1 E' h# Q: G& t1 \# |127.2
130.2
  Q  k( W) q7 W141.3
3 v/ `5 h" M4 `f (mm/r)
7 |' V3 P7 b. t* D4 `# ?0.24
# ]; m# L7 ]* s0.24
+ e( o7 x# r- B* p; N0.24
0.24
0.2
) d) H+ B# ^3 K: a" H0 I4 _0.2
8 K1 K+ m8 P) p9 X4 Z" m6 e0.2
0.16
' j. q# `% r1 W& l6 |0 A0.12
0.16
0.1
. Q  W2 p+ m! K9 C2 }0.2
5 Z- J5 ?) K. }1 A' U4 ]9 t' C0.13
0.13
6 D* R3 C! Y% Q& S8 m0.1
0.1
0.1
9 b) @, ]7 X. Z0.1
0.1
3 j0 H0 |* D  `% @+ f0.1
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3 O) [% R7 b3 N/ B3
3
3
/ f( [" d1 k. l$ ]& _7 f3
1 k9 [& T$ O0 v' E- t: t2.5
2.5
2.5
2.5
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1
1 p6 b& O- x4 G1
# |$ M& k; [! _$ j8 ~3 M$ c1
0.5
$ n' i) l) R5 z  n; N, q0.5
0.5
/ m9 l2 r/ Y. G- a- e  P; G0.5
0.3
" b7 t) Y+ T% B7 P/ }0 C0.3
0.3
1 A2 f+ j1 h/ l7 d) ~0.3
3 刀具磨损原因及刀具耐用度
& U% @, J8 T+ n& T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。
/ V1 E! p/ T6 P9 m1 o8 O表3 刀具耐用度与切削速度
VB(mm)
  x; ]8 u$ U) a" G; Q9 p0 ~V(m/min)
( @" D9 X- n1 _. b& H  y: }4 NT(m/min)
1 V# t( m/ i1 _. Z1 V6 Q0.2
50～140
3 I# b6 J0 S3 h1 f+ B30
7 I! b# l' `) K+ H: J+ {0.3
35～50
60
- D- O. S) y9 j" E8 `8 h' Q/ E1 w  ]2 v% j0.5
20～35
90
0.6
0 J& ?) R* u4 `3 V. u. d3 ~>20
( `$ L* Z) P/ }6 y* t120
- Q8 d& U, c+ f2 N. q8 [  }6 NYG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
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。
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。
# H: g/ h) d9 ~  L/ i. G5 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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