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自从1790年发现钛元素以来,人类为了获得它超凡的性能,而开展了长达百年的艰辛探索。1910年人类第一次制得金属钛,但钛合金的应用之路艰辛漫长,直到40年后的1951年才最终实现工业化生产。
钛合金具有比强度高、耐腐蚀、耐高温、抗疲劳等特点。同样大小的钛合金重量只是钢的60%,但是却比合金钢的强度高。钛合金由于良好的特性,在航空、航天、发电设备、核能、船舶、化工、医疗器械等领域中得到了越来越广泛的应用。
钛合金难加工原因
钛合金热传导率低、加工硬化严重、与刀具的亲和性高、塑性变形小等4个特点是造成钛合金难以加工的本质原因。其被切削指数只相当于易削钢的20%。
加工硬化严重
钛合金加工硬化现象明显,表面硬化层相比不锈钢要严重,会给后续加工造成一定的困难,比如,刀具边界损伤增大。
从具体机械加工方式入手
车削
钛合金产品车削,易获得较好的表面粗糙度,加工硬化不严重,但切削温度高,刀具磨损快。针对这些特点,主要在刀具、切削参数方面采取以下措施:
刀具材料:根据工厂现有条件选用YG6,YG8,YG10HT。
刀具几何参数:合适的刀具前后角、刀尖磨圆。
较低的切削速度,适中的进给量,较深的切削深度,充分冷却,车外圆时刀尖不能高于工件中心,否则容易扎刀,精车及车削薄壁件时,刀具主偏角要大,一般为75~90度。
铣削
钛合金产品铣削比车削困难,因为铣削是断续切削,并且切屑易与刀刃发生粘结,当粘屑的刀齿再次切入工件时,粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料,形成崩刃,极大地降低了刀具的耐用度。
铣削方式:一般采用顺铣。
刀具材料:高速钢M42。
一般合金钢的加工均不采用顺铣,因机床丝杠、螺母间隙的影响,顺铣时,铣刀作用在工件上,在进给方向上的分力与进给方向相同,易使工件台产生间隙性窜动,造成打刀。对顺铣而言,刀齿开始切入就碰到硬皮而导致刀具破损。但由于逆铣切屑是由薄到厚,在最初切入时刀具易与工件发生干摩擦,加重刀具的粘屑和崩刃。为使钛合金顺利铣削,还应注意相对于通用标准铣刀,前角应减小,后角应加大。铣削速度宜低,尽量采用尖齿铣刀,避免使用铲齿铣刀。
攻丝
钛合金产品攻丝,因为切屑细小,易与刀刃及工件粘结,造成加工表面粗糙度值大,扭矩大。攻丝时丝锥选用不当及操作不当极易造成加工硬化,加工效率极低并时有丝锥折断现象。
需优先选用一丝到位的跳牙丝锥,齿数应较标准丝锥少,一般为2~3齿。切削锥角宜大,锥度部分一般为3~4扣螺纹长度。为便于排屑,还可在切削锥部分磨出负倾角。尽量选用短丝锥以增加丝锥刚性。丝锥的倒锥部分应较标准的适当加大,以减少丝锥与工件的摩擦。
铰削
钛合金铰削时刀具磨损不严重,使用硬质合金和高速钢铰刀均可。使用硬质合金铰刀时,要采取类似钻削的工艺系统刚度,防止铰刀崩刃。钛合金铰孔时出现的主要问题是铰孔光洁度不好,必须用油石修窄铰刀刃带宽度,以免刃带与孔壁粘结,但要保证足够的强度,一般刃宽在0.1~0.15mm为好。
切削刃与校准部分转接处应为光滑圆弧,磨损后要及时修磨,并要求各齿圆弧大小一致;必要时可加大校准部分倒锥。
钻削
钛合金钻削比较困难,常在加工过程中出现烧刀和断钻现象。这主要是由于钻头刃磨不良、排屑不及时、冷却不佳以及工艺系统刚性差等几方面原因造成的。因此,在钛合金钻削加工中须注意合理的钻头刃磨,大顶角、减少外缘前角、增大外缘后角,倒锥加至标准钻头的2~3倍。勤退刀并及时清除切屑,注意切屑的形状和颜色。如钻削过程中切屑出现羽状或颜色变化时,表明钻头已钝,应及时换刀刃磨。
钻模应固定在工作台上,钻模引导刀面宜贴近加工表面,尽量使用短钻头。还有一个值得注意的问题是当采取手动进给时,钻头应在孔中不进不退,否则钻刃摩擦加工表面,造成加工硬化,使钻头变钝。
磨削
磨削钛合金零件常见的问题是粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。其原因是钛合金的导热性差,使磨削区产生高温,从而使钛合金与磨料发生粘结、扩散以及强烈的化学反应。粘屑和砂轮堵塞导致磨削比显著下降,扩散和化学反应的结果,使工件被磨表面烧伤,导致零件疲劳强度降低,这在磨削钛合金铸件时更为明显。
为解决这一问题,采取的措施是:
选用合适的砂轮材料:绿碳化硅TL。稍低的砂轮硬度:ZR1。
钛合金材料的切削加工,必须从刀具材料、切削液、加工工艺参数方面进行控制,才能提高钛合金材料加工的综合效率。