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在钻头上做出四条导向刃带,加大钻头截面惯性矩,提高刚性,还自然地形成两条辅助冷却槽,耐用度比标准钻头提高3倍左右,切削温度约降低20%。同时由于导向稳定减小了孔扩张量,如Ф3 mm的四刃带钻头钻孔孔扩张量为0.03~0.04 mm,而标准钻头为0.05~0.06 mm。6 |( L. \9 ~2 P7 A% O4 A! n, t
(2)选择适宜的枪钻:在钻钛合金长径比大于5的深孔时,当孔径小于等于30 mm时,一般采用硬质合金枪钻,见图7-2;当孔径大于30 mm时,采用硬质合金BTA钻头或喷吸钻等。用图7-2所示枪钻钻削TC11的孔,孔深204 mm(长径比约为26),可保证表面粗糙度Ra为1.6 μm,生产率提高4倍,切屑呈“梅花”形或“C”形碎屑,排屑正常。$ O* J. q9 J& Y v2 P% K
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用硬质合金枪钻钻长径比大于30的深孔时,在轴向施加小于100Hz的振动进行振动钻孔,可使得工件表面粗糙度Ra为0.3 μm,生产率提高5倍。具体参数为Vc=17 m/min,f=0.033 min/r,振幅为0.07 mm,频率35 Hz,工件圆度4 μm,表面粗糙度Ra为0.33 μm。& e6 \6 C5 @6 [9 F
(3)选择合适的切削液:钻浅孔时可选用电解切削液,其成分为癸二酸7%~10%,三乙醇胺7%~10%,甘油7%~10%,硼酸7%~10%,亚硝酸钠3%~5%,其余为水。
8 P& r0 ^- z2 p7 f钻深孔时不宜选用水基切削液,因为水在高温下可能在切削刃上形成蒸汽气泡,易产生积屑瘤,使钻孔不稳定。宜采用N32机油加煤油,其配比为3:1或3:2,也可采用硫化切削油。4 H6 W3 @, h! {2 t; f3 R- `( n+ C
11.怎样对钛合金进行铰孔?% c8 B0 X/ D) N0 O7 p2 I) d# {5 }; {
用高速钢和YG类硬质合金制作的铰刀都可用于钛合金零件上铰孔。高速钢铰刀主要用于纯钛铰孔,YG类硬质合金铰刀主要用于钛合金铰孔。钛合金铰刀有直齿铰刀、阶梯铰刀和带刃倾角的阶梯铰刀三种,直齿铰刀铰出的工件孔径最大,阶梯铰刀次之,带刃倾角的阶梯饺刀最小。阶梯铰刀的第一锥在切削的同时为第二锥起了导向作用,也为第二锥留下了极为稳定的余量,实际上起到了粗铰和精铰的作用;带刃倾角的阶梯铰刀在刃倾角的作用下,提高铰孔过程的平稳性,并使切屑向下排出,不会摩擦、划伤孔壁,因而铰出的孔径精度比阶梯铰刀更高些。: u9 u2 d7 t0 N8 h" \
钛合金铰刀的几何参数一般选用前角γ0=0°~5°,硬质合金铰刀取小值;后角α0=10°~15°;切削锥角κr=15°~30°。阶梯铰刀的第二锥角为15°,刃倾角λs=-15°。为了加大钛合金铰刀的容屑空间,齿数应少于标准铰刀,齿槽角δ=85°~90°。各种钛合金铰刀参数见图7-3、图7-4和图7-5。
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# B+ p1 n' l! [钛合金铰刀的直径由铰出孔的扩张量大小来确定,一般高速钢铰刀扩张量取0.008mm,硬质合金铰刀扩张量取0.006mm。
3 v9 M5 M4 I2 \) H8 M) s对钛合金铰孔时,粗铰余量2αp=0.15~0.5 mm,精铰余量2αp =0.1~0.4 mm,直径小时取小值,反之取大值。硬质合金铰刀的切削用量Vc=15~50 m/min,f=0.1~0.5mm/r,铰孔直径大时取大值,反之取小值。高速钢铰刀的铰削用量见表7-10。2 M# z/ r0 e5 T* u
铰削钛合金时,最好使用切削液,常用的是电解切削液或混合油(成分为蓖麻油60%和煤油40%)。
$ J5 `- l9 T. g4 v12.对钛合金拉削时应注意哪些问题?
9 q" k6 a) @2 N2 |3 l首先,根据钛合金材料的特性和切削特点,在拉刀设计时应注意以下几个方面的问题:
m- J A! V7 A5 q8 h7 a3 a(1)拉刀的前后角直接影响拉刀的切削效果。用高速钢制作的拉刀前角一般取γ0=10°~20°,硬质合金拉刀γ0=8°~15°。用于外拉的拉刀切削齿后角αp =10°~12°,校准齿后角αk =8°~10°;用于内拉的切削齿后角αp =5°~8°,校准齿后角αk=2°~3°;高速钢和硬质合金拉刀的这两个后角相同。对于粗拉刀前后角用小值,精拉刀用大值。0 H) F3 B6 U l
(2)钛合金拉刀只要条件允许应尽可能做出刃倾角,一般取λs=5°~10°。$ u4 ]! Y* Y/ h) }7 o, f
(3)拉刀前后刀面的粗糙度Ra≤0.32 μm。
- \ _# R$ M. `6 n- Q(4)校准齿上尽可能不留刃带,若需要时,其宽度应小于等于0.12 mm。
- l: Z2 e" f$ s& B/ k' z/ x/ E(5)由于钛合金的弹性模量小,加工后回弹大,开槽拉刀刀齿宽度至少应等于或稍大于槽宽的下限尺寸,以免拉出的槽窄达不到要求。
/ _1 b+ P$ [( B8 I3 `. z! C- {(6)拉刀卷屑台的形式与拉削高温合金的基本相同。5 q& r* R) @* m# ]; t" `" Q
(7)钛合金拉刀的磨钝标准一般为:粗拉刀VB≤0.3~0.4 mm,精拉刀VB≤0.15~0.2 mm。1 r/ O9 ^3 _3 k& M
再就是选用合理的拉削用量,在保证刀具耐用度的前提下提高生产效率。高速钢拉刀的拉削速度Vc=4.5~6 m/min,粗拉刀的齿升量为0.06~0.10 mm,精拉刀为0.02~0.04 mm;硬质合金拉刀的拉削速度Vc=15~30 m/min,粗拉刀的齿升量为0.08~0.12 mm,精拉刀为0.03~0.04mm。( o" `% c! C/ W2 L' t# L
拉削钛合金工件时必须使用切削液,一般采用油基切削液,常用的是混合油(蓖麻油60%,煤油40%)。还可选用另一种切削油,其成分为:聚醚30%,酯类油30%,N7机械油30%,防锈添加剂和抗泡沫添加剂10%。
) Y; d" k8 n6 M0 r6 N13.怎样对钛合金进行攻丝?5 N$ w2 w' {7 d! y7 L! w' K6 J
钛合金攻丝是钛合金切削加工中最困难的工序,特别是攻制小螺纹。这种困难主要表现在攻丝时的总扭矩大,约为45号钢的2倍;丝锥刀齿过快地磨损、崩刃,甚至被“咬死”在螺纹孔内而折断。这是由于钛合金的弹性模量太小,螺纹表面产生很大的回弹,使丝锥与工件接触的面积增大,造成很大的摩擦扭矩,磨损加剧;另外,切屑细小不易拳曲,有粘刀现象,造成排屑困难。因此,解决钛合金攻丝问题的关键是减小攻丝时丝锥与工件的接触面积。3 M3 s4 F, x. Z! M& {
(1)普通丝锥:必须经过技术处理后方能攻制钛合金螺纹。对普通丝锥进行处理的措施为:增大容屑空间,减少齿数;在校准齿上留出0.2~0.3 mm的刀带后,将后角加大到20°~30°,并沿丝锥全长磨去齿背中段;保留2~3扣校准齿后将后部的倒锥由0.05~0.2 mm/100 mm增大至0.16~0.32 mm/100 mm。当其他条件完全相同时,若将齿背宽度减小(磨去)1/2~2/3,攻丝扭矩下降1/4~1/3。8 R% F4 |! L" [) U
(2)修正齿丝锥:修正齿丝锥是把标准丝锥的成形法加工螺纹改为渐成法,工作原理如图7-6所示。由图可知,修正齿丝锥的齿形角α0小于螺纹齿形角α1,使丝锥齿侧与被切螺纹侧表面形成一侧隙角φ=(α1-α0)/2,并将丝锥螺纹做出较大的倒锥,使得摩擦扭矩大大减小,同时也利于切削液的冷却润滑。
: D9 L: w) G" o7 n5 L图中各角度间的关系式为:( a. J) b9 {* s9 L( H8 F- u1 j4 q
tanδ=tan κr (tan(α1/2)˙cot(α0/2) -1)
* G I/ J% O5 c( b5 ~设计攻制普通螺纹的修正齿丝锥时,为检验方便,一般取丝锥齿形角α0=55°,切削锥角δ可在2°30′~7°30′之间选取。; Z- r+ v, }( v# G% y
标准丝锥的倒锥是从校准齿开始的,倒锥量为(0.05~0.2)mm/100 mm;修正齿丝锥的倒锥则是从第一个切削齿开始,并且倒锥数值远大于标准丝锥,如κr =7°30′的修正齿丝锥可达1.437 mm/100 mm。由于倒锥量加大,修正齿丝锥的校准部分便起不了导向作用,在切削锥前端时必须做出圆柱导向部,以避免丝锥刚攻入时产生歪斜,圆柱导向部的公称尺寸及公差取决于攻丝前的底孔尺寸。图7-7是修正齿丝锥的结构和几何参数示例。修正齿丝锥攻制的螺纹表面粗糙度不如成形式丝锥。- a& x% n$ y3 ^9 t6 H- W, f. a
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(3)跳牙丝锥:跳牙丝锥是在切削齿和校准齿上相间地去掉螺扣,其最大的特点是有效地减小了丝锥与工件的接触面积,使攻丝扭矩显著下降。由于间齿攻丝,相邻螺扣侧刃之间有较宽绰的空间,改善了容屑和切削液进入切削区的条件,提高了丝锥的耐用度;同时在制造丝锥时,砂轮外缘顶部也不需过分尖锐,改善了磨削条件。跳牙丝锥示意图见图7-8。; r' Z' w* o9 V/ ~) H7 I7 Z; T
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在相同的切削条件下经试验比较,跳牙丝锥的攻丝扭矩约为标准丝锥的30%~50%,修正齿丝锥的35%~60%,耐用度比修正齿丝锥高1~3倍,用跳牙丝锥对钛合金攻丝效果最好。
( a( n: P( H) q+ V; }: M(4)螺纹底孔:对钛合金攻丝一般按牙高率(螺孔实际牙型高度与理论高度的比率)不超过70%为依据来选取底孔直径大小,即螺纹底孔直径d1=d0-0.757 8p(d0为螺纹公称尺寸,p为螺矩)。小直径或粗牙螺纹牙高率可取大一些,被加工材料强度低或螺纹深度小于螺纹基本直径时,可适当增大牙高率,但过大会增大攻丝扭矩,甚至折断丝锥。为保证攻丝精度和表面质量,螺纹底孔应为铰后的孔。5 s" e+ [ h+ k! r5 u: d
钛合金的攻丝速度要根据材料的类型和硬度来确定。α钛合金的攻丝速度一般取Vc=7.5~12 m/min,α+β钛合金取Vc=4.5~6 m/min,β钛合金取Vc=2~3.5 m/min;钛合金的硬度≤HB350时选用较高的切削速度,反之选用较低的切削速度。
. r. v$ H9 m% m3 R8 i5 F8 l对钛合金攻丝时,一般用含Cl、P的极压切削液效果较好,但含Cl的极压切削液攻丝后必须清洗干净,防止零件晶间腐蚀;也可用蓖麻油60%、煤油40%的混合油作切削液。+ T9 b8 l8 c& H& b( b4 X. O
14.磨削钛合金有哪些特点?
+ |4 @& _' X) \$ g6 N! o; o(1)磨削力大:磨削钛合金时,和一般磨削规律一样,径向力大于切向力。在相同条件下磨削TC9的径向分力几乎比45号钢大4倍,切向分力大80%左右。1 f0 u0 e0 s' P) k9 n. f: g
(2)磨削温度高:钛合金磨削时滑擦过程所占比重大,产生强烈的摩擦,急剧的弹性、塑性变形和大量的热量,致使磨削区的温度很高。在相同条件下,磨削TC9的磨削温度为45号钢的1.5~2倍,最高时可达1000℃。( x3 Z# e% Y# I/ O4 y) `* A; Q
(3)砂轮磨损失效:磨削钛合金时,除粘结、扩散外,钛合金与磨粒之间起化学作用,从而加速了砂轮的磨损过程。观察磨削后的砂轮,钛呈云雾状分布,几乎看不到砂轮磨粒。+ D5 A" \ Q+ j5 R
(4)表面质量不易保证:钛合金磨削时,工件表面容易产生有害的残余拉应力和表面污染层,表面粗糙度数值较大。磨后表面残余拉应力数值大小随磨削用量的加大而增大,磨削速度是残余应力的主要影响因素。
$ Q% L) [+ c4 `7 ]6 [; D(5)生产率低:在保证所要求的零件加工精度的条件下,很难获得较高的生产率。磨削时砂轮容易变钝失效,磨削比很低,在相同条件下磨削Tc4的磨削比只有1.53,而45号钢为71.5,约为45号钢的1/47。
9 b* G) b, a" |7 o15.磨削钛合金时怎样选择砂轮?
" i6 L9 ?% d4 [/ c k(1)磨料的选择:白刚玉WA砂轮一般只能在Vc≤10 m/s的条件下磨削钛合金,因为Vc加大会使磨削温度升高,钛合金表层会发生组织转变;而且在高温下很容易吸收空气中的氧形成氧化钛,并与Al2O3生成固溶体,因而增大了钛与Al2O3的粘附结合力,加剧砂轮的粘结磨损。. [/ }" y z! H+ C# [) v
绿碳化硅GC及铈碳化硅CC磨料与钛合金粘附较轻,尤以CC砂轮的磨削力小且磨削温度低。采用混合磨料(以GC及CC为主磨料,以铬刚玉PA、单晶刚玉SA、锆刚玉ZA或微晶刚玉MA为副磨料)磨削效果能得到很大提高,磨削温度降低到600℃以下,磨削比可达12。- T( T5 ^6 F5 e% M h6 g. z
采用人造金刚石JR和立方氮化硼CBN超硬磨料磨削钛合金效果最好。CBN砂轮磨削钛合金的磨削比比采用混合磨料高50~60倍,且工件表层残余应力几乎都为压应力,陶瓷CBN砂轮磨削效果见表7-11。) H9 R. [8 L9 M
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(2)粒度和硬度的选择:粒度和硬度都影响磨削比,粒度的影响大些。磨削钛合金时,常用粒度号为36号~80号的磨料、硬度为K~M的砂轮;较软的砂轮磨削力较小且磨削温度较低,但磨损较大。实践证明,既能减小磨削力又能适当提高磨削比,采用粒度为80号、硬度为J的砂轮为宜。
& y& U" m2 T$ A# u6 `* T$ w(3)结合剂的选择:磨削钛合金的砂轮一般选用陶瓷结合剂V,这种结合剂的砂轮磨削力比较大;对大而薄的砂轮选用橡胶结合剂R,可降低磨削温度和磨削力。- D( T% G; x! C. S3 I8 D' A$ J c
(4)组织的选择:采用中等偏疏松或疏松的砂轮组织5~8号为宜。成型磨削及精密磨削时,为保持砂轮型面及磨削表面粗糙度,可选用组织较为紧密的砂轮。
' f* Q9 C/ z; F( F) Q磨削钛合金时,不同磨削方式使用砂轮的具体选择见表7-12。
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3 g2 J8 j) v* x3 ^& w' j16.磨削钛合金时怎样选择磨削用量?; G9 r/ k/ U- Q L0 J
由于钛合金的磨削温度高,再加上钛合金的化学活性大,工件表层组织很容易发生相变,而且容易产生有害的残余拉应力,会降低零件的疲劳强度,因此在选择钛合金的磨削用量时首先要考虑的是降低磨削温度。磨削速度对磨削温度的影响最大,即磨削钛合金时的速度不宜太高。具体的钛合金磨削用量见表7-13。. y7 m7 ]& t4 N( o! V+ }
: I+ I3 _+ n" Q) C- e+ V+ s& e17.磨削钛合金时怎样选择磨削液?% X2 K( c/ @) ~5 b7 X
磨削钛合金时,要求磨削液具有冷却、润滑和冲洗作用,更重要的是应具有抑制钛与磨料的粘附作用和化学作用。目前用得较多的是水溶性磨削液,有亚硝酸钾溶液、亚硝酸钾和甲酸钠溶液、亚硝酸钠溶液、亚硝酸钠和甲酸钠溶液、亚硝酸胺溶液等。使用含极压添加剂S、Cl、P的极压油,效果较好,尤以氯(Cl)极压油效果最好,但磨后应清洗零件,以防降低零件的抗疲劳强度。: o0 K! s, B, P, C0 }% `
对于缓进给磨削推荐选用下述配方制备磨削液:亚硝酸钠1%,苯甲酸钠0.5%,甘油0.5%,三乙醇胺0.4%,水(其余)。使用立方氮化硼CBN砂轮磨削时不宜使用水溶性磨削液,因BN与水在800℃左右会起化学反应,造成砂轮过快磨损(BN+H2O→H2BO3+NH3)。8 l8 B& l& q0 [' G" g* L
使用磨削液时,应特别注意流量要足够大,每毫米砂轮宽度一般不低于0.5 L/min。砂轮线速度越高,流量应越大。水箱容量一般为流量的1.5~3倍,以保持磨削液处于较低的温度。另外,钛合金的磨削温度较高,钛屑容易引起自燃,在使用油剂磨削液时,应注意防止发生火灾。# c. \2 m2 d; h5 z
18.钛合金有哪些其他的磨削方法?) J Y0 F8 `9 j G6 F7 }7 U
磨削钛合金除了常用的普通磨削法外,还可采用缓进给磨削法和低应力磨削法。
, s2 `3 k- n. g! j9 P1 C6 O(1)缓进给磨削法:钛合金的缓进给磨削的特点与高温合金类同,有关的详细情况参照高温合金的缓进给磨削部分。钛合金的缓进给磨削一般选用GC60G~JV的砂轮,磨削速度Vc=28~30 m/s,工件速度Vw=70 mm/min,磨削深度αp=1~2 mm。工件表面粗糙度值要求较小时,应采用较硬的砂轮;成形磨削时,可用金刚石滚轮或钢滚轮来修整砂轮。' A x" `7 I7 m; L# |
(2)低应力磨削法:钛合金的低应力磨削是靠减小磨去单位体积金属消耗的能量,来降低磨后工件表层的残余拉应力,消除烧伤、变形和裂纹,很适合钛合金的磨削。低应力磨削应采取以下措施:使用较软的砂轮,经常保持砂轮和修整工具的锋利,减小径向进给量(或磨削深度),降低磨削速度,大量充分使用性能好的磨削液。但此法生产率低,只适用于承受很高应力的零件(如:高循环应力或在腐蚀条件下工作的零件),用这种磨削法可提高零件的疲劳强度。其磨削用量见表7-14。. G* ]5 p9 A: l4 ~8 \, T4 d
: @4 R4 }4 G! G. r为了达到低应力磨削效果,应严格控制粗、半精、精磨三个阶段的径向进给量(或磨削深度):
, d/ V$ \* a) V; i0 ?1 V①粗磨阶段。由毛坯尺寸磨至比最终尺寸大0.25 mm,采用fr≤0.05 mm/st。
# f0 k1 F0 D, T; q7 F* _②半精磨阶段。再磨至比最终尺寸大0.05 mm,采用fr=0.008~0.015 mm/单行程,半精磨前应修整砂轮。
, K3 l5 l9 P% x* t③精磨阶段。磨至最终尺寸,采用fr=0.0025~0.005 mm/st,或根据需要用2~4个行程的无火花磨削至最终尺寸,精磨前应修整砂轮。/ f |# s. e6 b# s! ?
19.用金刚石刀具切削加工钛合金有哪些特点?
1 v! @4 m! D& Y. H, p0 ^从加工钛合金的各种刀具材料切削实验的结果可以看出,金刚石刀具加工钛合金的效果最为显著。这是因为金刚石在钛中的溶解度比在铁中小得多,切削时金刚石刀具的扩散磨损很小,故用金刚石刀具切削钛合金有以下特点:0 ` t' r1 a4 D
(1)有很高的耐用度:用硬质合金刀具和金刚石复合片刀具车削钛合金棒料,采用的车削用量为 Vc=56 m/min、αp=1 mm、f=0.05 mm/r,用硬质合金刀具车削时,刀具很快就磨损了,切下的切屑体积仅有0.07 cm3;而在相同的磨损条件下,金刚石车刀却能切下多得多的切屑,切屑体积高达132 cm3,是硬质合金刀具的1885倍。通过切削钛合金试验,在相同的条件下,刀具材料磨损量最大的是氧化铝基陶瓷,其次是硬质合金,磨损量最小的是金刚石。
. }# t- h/ M! @(2)有很高的导热性:钛合金的导热系数为5.44~10.47W/(m.K),是45号钢的1/5~1/6,而金刚石的导热系数非常高,达146.5 W/(m.K),是45号钢的3倍、硬质合金的1.7~7倍,加上金刚石硬度高,切削刃可磨得非常锋利,切削时产生的切削热较少,刀具又能传出很大部分切削热。因此用金刚石刀具加工钛合金的切削温度低。 o J. K6 O1 s/ {* Z, B
(3)允许较高的切削速度:用YG类硬质合金加工TC4钛合金时,切削速度一般采用Vc=20~50 m/min;而用金刚石刀具在没用切削液干切时采用Vc=100 m/min,湿切时可高达Vc=200 m/min,比硬质合金高出好几倍,且刀具几乎看不出有多少磨损。8 j) g, ]- P1 e( I8 ~1 O/ Z
(4)粘结和扩散磨损最小:用于切削钛合金的各种刀具材料中,金刚石与钛合金间产生粘结和扩散的可能性最小,即切削时刀具产生粘结磨损和扩散磨损最小。 u4 R8 X) g& \$ T. b
实践证明,精切钛合金时以金刚石刀具最佳,粗加工时以YG类硬质合金湿切为好。金刚石刀具的几何参数是γ0=-5°、α0=17°、κr=30°、κ´r=20°、λs=0°,rε=0.1 mm;切削用量是Vc=80~90 m/min,αp =0.2~0.4 mm,f=0.05~0.07 mm/r。
% |% Z' _# o: O" S20.切削加工钛合金的实例有哪些?* A8 z6 a/ m# j% q* G1 F
(1)将145 mm×65 mm的钛合金车成圆棒,在Vc=56m/min、αp =2 mm、f =0.1 mm/r的情况下,开始用YG8硬质合金刀具,只车下0.7 cm3体积的切屑。后改用金刚石复合刀片的车刀,切下切屑的体积达143 cm3,为硬质合金刀具的204倍,且后刀面磨损很小。又如,用天然金刚石刀具,在干式切削时,在Vc=100 m/min的条件下,切削30 min后,刀具几乎没磨损。在有切削液的条件下,切削速度可达200 m/min。
6 W8 i, m, J) P2 V(2)铣削TB2钛合金,刀具材料为YS30硬质合金,在 Vc=100~150 m/min、αp =0.2~0.5 mm、αf =0.06~0.08mm/z的条件下,切削十分轻快,刀具磨损很小。
+ ?- ^2 x2 ]1 j9 E! S(3)对TC4钛合金车外圆和内孔,采用YM052硬质合金为刀具材料,在 Vc=70~120 m/min、αp =1~2 mm、f=0.2 mm/r条件下,刀具磨损比较小,而且表面粗糙度Rn可达0.8μm。
* z1 W/ d- G7 P7 L6 z(4)在TC4钛合金上加工M185×3的螺纹,螺纹为50mm长。采用YM051超细颗粒硬质合金车刀,刀具可车5~6件。3 h7 m' c( _- q4 W, H8 ]
(5)用不同切削速度加工TC4钛合金时,切削条件为:γ0=3°,α0=14°,κr =κ´r =45°,rε=1 mm,f=0.16 mm/r,tip=1 mm,切削速度分别为30 m/min、60~70 m/min和90~100m/min,结果是:低速时YS2有很高的耐磨性,在高速时,YD15的耐磨性高于YS2。
$ X F, e ?6 f' l" C$ Q' m8 B. q文章关键词: 切削加工 |