钛合金的切削加工（下）

魔神

    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。

    (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。

    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。

    (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。

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。

    11．怎样对钛合金进行铰孔？

    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。

    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κ_r=15°～30°。阶梯铰刀的第二锥角为15°，刃倾角λ_s=-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。

    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。

    对钛合金铰孔时，粗铰余量2α_p=0.15～0.5 mm，精铰余量2α_p =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。

    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％)。

    12．对钛合金拉削时应注意哪些问题？

    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：

    (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α_p =10°～12°，校准齿后角α_k =8°～10°；用于内拉的切削齿后角α_p =5°～8°，校准齿后角α_k=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。

    (2)钛合金拉刀只要条件允许应尽可能做出刃倾角，一般取λ_s=5°～10°。

    (3)拉刀前后刀面的粗糙度Ra≤0.32 μm。

    (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。

    (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。

    (6)拉刀卷屑台的形式与拉削高温合金的基本相同。

    (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。

    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。

    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％。

    13．怎样对钛合金进行攻丝？

    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。

    (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。

    (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。

    图中各角度间的关系式为：

tanδ=tan κ_r (tan(α₁/2)˙cot(α₀/2) -1)

    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。

    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κ_r =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。

    (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。

 

    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。

    (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。

    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。

    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。

    14．磨削钛合金有哪些特点？

    (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。

    (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℃。

    (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。

    (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。

    (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。

    15．磨削钛合金时怎样选择砂轮？

    (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。

    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。

    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。

    (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。

    (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。

    (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。

    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。

    16．磨削钛合金时怎样选择磨削用量？

    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。

 

    17．磨削钛合金时怎样选择磨削液？

    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。

    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)。

    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。

    18．钛合金有哪些其他的磨削方法？

    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。

    (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。

    (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。

    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)：

    ①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。

    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。

    ③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。

    19．用金刚石刀具切削加工钛合金有哪些特点？

    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：

    (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、α_p=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。

    (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。

    (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。

    (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。

    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°、κ_r=30°、κ´_r=20°、λ_s=0°，r_ε=0.1 mm；切削用量是Vc=80～90 m/min，α_p =0.2～0.4 mm，f=0.05～0.07 mm/r。

    20．切削加工钛合金的实例有哪些？

    (1)将145 mm×65 mm的钛合金车成圆棒，在Vc=56m/min、α_p =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。

    (2)铣削TB2钛合金，刀具材料为YS30硬质合金，在 Vc=100～150 m/min、α_p =0.2～0.5 mm、α_f =0.06～0.08mm/z的条件下，切削十分轻快，刀具磨损很小。

(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、α_p =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R_n可达0.8μm。

    (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。

    (5)用不同切削速度加工TC4钛合金时，切削条件为：γ₀=3°，α₀=14°，κ_r =κ´_r =45°，r_ε=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。