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。
! p  ]3 G# J8 h% Q1 N表1 切削钛合金选用的刀具材料
  q/ R* U) E7 _牌号
5 ~* O: {0 h# R9 @) v1 N% ZISO
HRA
sbb
2 j& r+ h: V. lYG3X
# Z( L: V) [8 N6 L/ ]K01
91.5
110
YG6A
K10
92
140
% ?- C7 L% [. ~" T$ QYG6X
' x( W. I3 ?% e2 m% C* HK10
91
! C* W% ]* s" u140
YG8
K30
89
5 r, [& s+ e) V7 J150
YG8W
K25
$ \; X3 {. ]" U. z/ s3 `92
  }# a- \* E2 y4 w! w( _200
1 \9 {; g- C, W% ~$ h" lYG813
+ p3 u2 `, D1 M" A; {: w: nK20
91
, g5 W2 Z/ T' g160
YG643
( m9 m, D5 x: d. k4 WK05
93
150
! l. z+ A3 G/ x  ?2 M% MYG10HT
K30
92
220
& o) E/ U/ e% f) U2 s" P( V' f8 ~/ KYL10.2
: Q7 S) B, k; A  W# Y- t$ zK35
* W9 B- K( ?2 O- r. `HV1600
8 R0 D0 X% y' h& h/ L/ i! k+ x  N. f% n  j220
YS2T
K30
( H  Q2 s, L2 v91.5
# I5 `! ^6 W2 D* v- ~' l5 C180
" i+ a' H3 v& ?* n4 v% H' ]/ kYD15
K01
91.5
3 O, c$ K, v- t/ ^170
Y310
, z4 v- N' C# b( y: v; N: kK05
2 U; I+ q$ L" O8 O! q1 U92
3 L9 \* X0 Z+ l9 y$ r  P; k" t9 F125
Y320
/ k( V! P5 W  H; m# l& `K20
9 e) L5 P% [/ e6 M( M8 L) a91.5
180
& I  O/ I- S: B, k2 @Y330
K30
$ \& w0 X5 H1 H* N; ?90.3
, g8 u8 A# i- Q+ u' {6 ]1 }4 A200
YM051
K10
92.5
7 L5 V- z( `$ K8 U162
1 刀具材料及几何参数的选择
. l- G: v  ?: E% x, [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。
7 c4 C+ R  n6 K+ ?& x% a! K1 N4 W, B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
. r1 q2 q0 \5 T% A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。
1 J, G6 ]- K' T- K% Z- B* M" m表2 切削参数
NO
1
( D! [+ W3 n2 T4 M& n0 E2
3
4
, Z( e: h) }& C* L7 \' q, t5
+ f+ f: Z3 D7 N* T6
( v# \3 T* @; A  M2 r7
9 Z, i3 Q- u% b8 i; d* ?. o) R5 E8
9
4 u2 _" y% i) u/ k10
11
12
5 t/ _  l3 C6 K  ]13
14
& q& x/ J" {+ y+ `( Q( U& v5 |: a+ }9 ~* H15
16
- M/ F/ d, S( n/ k/ d17
18
19
4 [7 }4 G! U. ~3 o2 v) ^20
V(m/min)
13.2
9 U. I; J2 Z/ z! `, ^( |6 j5 H+ ]0 |9 m14
21.1
23.3
0 P% }+ T' t# G, f30
31.7
9 M2 B0 U$ }/ B* ^5 ]2 w35
37.7
. [' d- E8 M& K8 `& I, p+ d7 \$ y40
- @1 Y: U+ p: |- r' ?2 U! U45.2
45.8
  s2 O+ s  z  E7 s: O50.2
8 j1 A( i4 t$ P" u69.9
; i4 p- k$ _" D' R70.7
76.4
89.4
( U6 L, [0 {! h" [111.8
7 C% m2 \% \( Q$ P127.2
& C2 g3 a2 |+ Q130.2
141.3
f (mm/r)
6 b2 V" q4 j( X9 A% I0.24
; e0 q; I# @- D# c9 D# D$ X. @0.24
0.24
! G* H9 X6 H* u9 g. y- D# X0.24
' {: {. A; h  r, v/ [7 K0.2
0.2
0.2
0.16
  k, i% M3 {9 \# q7 f7 V! X0.12
9 S4 f4 J5 F' }: q0.16
4 a5 x8 w" w. T  [0.1
( p0 B/ M! E1 J1 r0.2
0.13
2 x) j% G) g0 q6 b+ C0.13
: G; r- Z# U+ v( O# V! U0.1
( V4 O% m1 y1 v) b# e0.1
0.1
0.1
0.1
0.1
# B3 Q: M$ Z1 m3 X& _5 G2 {: Kap (mm)
3
3 |7 [4 S2 u3 B$ f( s* d( [3
3
3
! [& w, A1 M" `: M" h/ V* A2.5
2 x. s# G6 W! R8 w" A2.5
$ J+ ?' {3 l; q% y( J& H  z2.5
% D; N0 r0 w% E2.5
. N& m0 m( j0 l* h/ I$ {; @1.5
# s+ Y3 H& S. {) M) w4 b/ K* [2 K1
% t: \1 g3 W8 B3 S' T( B1
) w' R* N) ]: @1
' G+ F  i+ F; @( z0.5
# k5 ?; i' P' T7 D0.5
0.5
8 W3 _0 k1 _# C. z0.5
0.3
" q9 R1 b# |0 b' u4 z* h' S0.3
9 a) y( e: d) r+ p1 Z0.3
1 Y  ^/ U$ ~3 G/ h8 a0.3
$ b; I! e: B" j0 J7 L- ]3 K  S3 刀具磨损原因及刀具耐用度
) l. y7 u3 C$ G4 Q4 L7 @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。
! F: W6 Z5 o% [+ H) R* Z4 x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。
2 Q& V, J' S/ Y/ Y表3 刀具耐用度与切削速度
1 R4 S" _# e% Z3 B" k* Y/ pVB(mm)
8 E; x/ \; R9 v: ]V(m/min)
T(m/min)
( ?) H4 |, q5 e3 v, M6 d0.2
50～140
. A  b8 t3 O* h- [! q30
8 F9 ?) b. z$ K0.3
35～50
$ b: q  |) i7 b  n; W. J2 t6 a- k60
0.5
2 i2 e3 D2 p. g6 M  Q* ~; v7 D20～35
90
& c7 F, q5 Y7 G7 I/ C6 ~4 n8 B0.6
, L' {8 b& I  [" z! A>20
8 {9 u0 p, F( u4 x120
YG类g0=10°，a0=18°，干切削，湿切削时，T加倍
4 R# }# G! w' z  t  |$ N1 x9 Q4 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。
' ^" I& w! r8 G- R; `  Z5 结论
/ h! W, p9 t7 U' h# J; `  _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。
文章关键词：