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
牌号
2 @; s, y% q8 v+ `6 jISO
; U2 A( W5 n- iHRA
% t& c- p1 L) Zsbb
; X# a2 m7 L3 wYG3X
3 J6 T* H, i- EK01
91.5
110
YG6A
K10
" Z, g$ j/ _+ J" j7 i8 {) u92
140
3 R# ^  E7 ~+ U* xYG6X
  X6 x" s! {- W% g9 xK10
91
& O, i+ K% s% }140
" s0 I3 w, l: }0 g7 X2 d5 R5 nYG8
# T! u3 M5 g/ |# s; |K30
, D) d% S/ \, [, o89
) m1 \% u1 X& Z/ t150
# @* ]& Y& L# IYG8W
K25
: a- T- Y! |* P# s92
: N& G, J; E5 e4 s2 E' `3 l- O200
YG813
K20
8 n/ y1 e/ s8 ^  H91
160
YG643
K05
93
$ ^9 q+ q) {9 v' D150
* b* A- J9 E) a! ^" ~YG10HT
. o$ i; D/ l! K: d( X+ ]7 XK30
92
. Q. m  ?: M& @; B# |+ F220
YL10.2
K35
; g! \8 h: }% b/ ^3 V& cHV1600
220
5 g7 V# _( D) ]/ a( m$ bYS2T
K30
  a7 C1 k; O9 U- |$ Z91.5
$ }  z/ R8 W% Z) f: B+ a* |180
- s4 {8 |0 f, S  tYD15
, r- q: d/ j$ O) E3 V4 eK01
91.5
2 ~( W% p7 W( s6 W0 m+ Y' h170
, i" ~/ ^; m+ L% d3 s* a) hY310
K05
92
8 e6 U/ F0 r$ Q+ V8 G. [125
Y320
K20
" A! ?) U7 {8 _7 \( h- r91.5
180
Y330
K30
1 q8 x- a. H0 x6 ]90.3
200
- ]1 s' G6 a! D0 dYM051
: G+ j2 ]# s$ h) b# nK10
# `+ k* s$ g" M( ^92.5
162
1 刀具材料及几何参数的选择
3 i, S# I/ U" D+ l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。
. w' a8 x- C. O0 @9 @5 {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
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。
表2 切削参数
$ }' i# Y8 v* TNO
1
2
3
4
2 `7 x. w; Y8 s" q4 g5
! x, P: @! e8 n& [! x* s' U6
7
( Y& N! B. e% E' j: j! T/ Y8
9
: H8 }; h9 M- Q6 c0 E10
11
) y) W* b2 T: g5 u  V* k3 I( G12
13
0 W# x1 g! Z! U9 l+ n14
15
- \' j* [- z+ ?) Y0 E+ R+ P16
& m& C: w' }" v( z17
# v' T) B) K; q/ o" E18
19
! O7 E7 T/ J/ y  o5 r20
V(m/min)
13.2
4 s. X1 U5 F5 c, w$ _# J4 J; U! J7 }14
# A+ f1 d* W  \$ Y! D. j21.1
23.3
1 {- n2 i1 z, F( {30
31.7
35
37.7
- ]: Z. C0 W) y40
, m. q& Y- ?/ x+ D# O* ?1 F45.2
45.8
50.2
% L9 M/ K8 |! u5 F0 k8 O( }69.9
6 t  Y& C( l. ]& j+ n& q1 \  B70.7
76.4
89.4
111.8
  F, D3 a2 I2 g0 Z9 h$ m4 h127.2
130.2
! S0 ~: }( X4 ]2 _6 `# W+ P" K: R141.3
  d$ J# m. l7 k  |6 Lf (mm/r)
. `5 p' O5 b& K' D7 ^- h0.24
0.24
  y0 W' \( C$ G  j1 Z8 A0.24
) `9 m( q4 J8 J$ W* |0.24
+ u+ X$ L$ l  O9 m0.2
0.2
0.2
0.16
4 g0 U  z# C- o" e4 u: E3 l" Y6 f0.12
* ?* y. q) n+ J0 i6 s! K4 ^$ [! D0.16
0.1
0.2
0.13
0.13
0.1
0.1
0.1
% T. ?" p4 u- T+ K/ E6 t0.1
0.1
4 p. {% l; s- ]1 t. M" r0.1
ap (mm)
# `6 {; _; r: E+ h8 t* [9 I3
  M% t  k8 K4 D) [1 F/ T' c3
3
# V  f8 R$ l% @# A0 h, k3
) P: j2 S, @( r# E5 h( T2.5
4 n  d1 p0 q0 h6 B2.5
( V. t+ W; M5 i" U- X% L2.5
2.5
. T6 r. r0 P- o( I1.5
5 R7 c$ j- W, z! u$ u1
. ^. j* j9 R2 m9 c1
1
0.5
0.5
0.5
0.5
- q$ D/ }5 V% N$ g. F0.3
0.3
* }+ r5 ~/ z  u( t- h) g4 j" s0 ?0.3
# o& }& j2 N) f$ t- R0.3
9 @8 C) e" T5 [8 m3 刀具磨损原因及刀具耐用度
2 I1 {3 G- P6 T! ^  ?加工钛合金，刀具磨损发生在后刀面和刀尖处。钛合金弹性模量小，切削时回弹大，后刀面与加工表面接触面积大，加速了摩擦。显微镜下可看到犁沟。刀尖处散热条件差，温度较高，磨损严重。尤其是精车时，后刀面磨损量没有达到磨钝标准时，因刀尖磨损过快，使刀具丧失切削性能。前刀面看不到明显磨损痕迹，原因是刀屑接触长度短，磨损的主要形式是崩刃和微崩刃。显微镜下可看到锯齿形刀刃。加工钛合金粘刀现象十分严重。无论是高速切削还是低速切削都有粘刀问题。干切削更为明显。
粘结磨损是加工钛合金的主要磨损原因。当切削速度较高时，切削温度达600℃以上时，扩散磨损占的比例较大。空气中的氧氮与钛合金反应生成硬脆化合物加剧了刀具的磨料磨损。因此加工钛合金刀具磨钝标准定得较低，刀具耐用度较低，而切削速度还是比较低的。具体数值见表3。
表3 刀具耐用度与切削速度
+ h$ Q. j( g& v/ u  X) z5 kVB(mm)
V(m/min)
) Z$ }9 Q9 E' F/ m" vT(m/min)
! ~9 g3 O! X( f, U2 I6 v0.2
+ \4 Q4 W7 z$ I9 C* c0 _; y50～140
30
3 j4 Y) y" a* A/ C/ P0.3
3 ]% d! J, N0 w9 E; h; C) O35～50
60
5 u8 s. d9 r* x$ G* |0.5
20～35
9 H- j$ T) v( q8 V+ O% h) |90
0.6
( f& h! t" K8 N$ d# u- u, I' g& {>20
120
YG类g0=10°，a0=18°，干切削，湿切削时，T加倍
4 零件加工工艺及表面质量
使用的车床功率要大，主轴回转精度要高，进给机构无爬行。刀杆刚度足够。零件装夹要牢固。例如：车Ø74外圆时，中部用中心架支撑，提高了装夹刚度，降低了长径比。加工顺序为：先加工Ø65里孔，后加工Ø74外圆及空刀处。里孔可用单刃镗刀切削，让刀量大。改用浮动镗刀效果较好，里孔达到尺寸精度后，用卡盘与顶尖装夹车外圆，孔中放置减震材料。刀具必须锋利。一旦振动，立即换刀车去振源。用塑料胀胎夹具加工外圆效果较好。镗孔速度不易过高，V=20m/min较好。控制回弹量。最小切削深度0.05mm。当ap太小时不能形成连续切屑，容易产生振动。夹持刚度较好时，车外圆ap=0.01可行成连续切屑。切削钛合金只要不振动，表面粗糙度Ra1.6µm是可以达到的。刀具锋利，表面质量也较好。
使用锋利的硬质合金车刀切削钛合金，加大流量润滑液冷却润滑。切削速度V≥100m/min时，车外圆表面粗糙度可达Ra0.8µm，已加工表面硬化较轻，残余应力较小。比较高的尺寸轻度容易获得。ap=0.005mm时，可形成连续柔软的切屑，达到磨削的尺寸精度和粗糙度。镗孔有一定的难度，主要原因是：机床、夹具、工件和刀具组成的工艺系统刚度不足。一旦振动，孔壁质量立即下降。粗糙度Ra1.6µm还是容易达到的。
3 z" g% L; l/ F5 \) A5 结论
- f3 E" g8 M& d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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