鈦合金材料高效切削工藝性能研究

                                               
                                                                鈦合金材料高效切削工藝性能研究

     鈦合金被視為“全能金屬”，具有比強度高、耐腐蝕、熱穩定性等特性，是高機動性裝備，輕量化制造的優選材料之一。但鈦合金的切削性能比較差，通過對其性能剖析和原理試驗，在合理選擇刀具，優化切削參數等方面進行攻關，最終實現對鈦合金材料的高效數控加工。


    鈦合金具有優良的力學性能和物理性能，廣泛應用于航空、航天、艦船、軍工和醫療器械和其它民用領域，如鈦合金 TC4（化學成分 Ti-6Al-4V），在陸軍裝備高機動性、耐高溫、輕量化制造方面得到推廣應用。因此，通過對鈦合金材料的機理研究和加工試驗， 制定高效切削工藝方案，解決其切削難度大、數控加 工效率低的問題。

鈦合金不僅具有重量輕、強度高、熱穩定性、無磁性的優良性能，而且在酸、堿、海水和大氣等介質中耐腐蝕等顯著特性。  
 

 

   1）比強度高（σb/ρ）。鈦合金密度為 4.52g/ cm3 ，約為鋼的 57%。其機械強度卻與鋼相當，具有高強度，通常抗拉強度為（686-1176）MPa。其中 TC4 抗拉強度 Rm 約為 1262 MPa。

 

  2）硬度較高。鈦合金（退火態 M）的硬度可達 （32 ～ 39）HRC，其硬度對切削加工影響較大。

 

  3）高溫和低溫性能優良。在高溫下，鈦合金能保持良好的機械性能，其耐熱性高于鋁合金，在 （300 ～ 500）℃溫度下的強度比鋁合金約高 10 倍， 新型耐熱鈦合金可在（550 ～ 600）℃下長期服役 ；在低溫和超低溫（-100 ～ -253）℃條件下，仍能保持其力學性能，又是一種重要的低溫結構材料。 

 

 4）抗腐蝕性強。鈦在 550℃以下的空氣中，表面會迅速形成薄而致密的氧化鈦膜，故在大氣、海水、 硝酸等氧化性介質及強堿中，鈦合金耐蝕性優于多數不銹鋼。 

 

 5）化學活性大。鈦與大氣中的 O、N、CO2、水蒸氣和氮氣等產生強烈的化學反應。當含碳量大于 0.2% 時，在鈦合金中形成硬質 TiC。溫度較高時，與 N 作用，也會形成 TiN 硬質表層。在 600℃以上時， 鈦能吸收氧形成硬度較高的硬化層。鈦合金吸收氣體而產生硬脆表層的深度可達（0.1 ～ 0.15）mm，硬化程度比原來基體硬度高（20 ～ 30）%。鈦合金的化學親和性也大，易與摩擦表面產生“粘刀”。 

 

6）熱導率很低。鈦的熱導率為 15.24W/m · K，是鐵的 1/5，鋁的 1/4。而各種鈦合金的熱導率更低， 一般為鈦的 50%。TC4 的 k 為 7.95 W/m · K。刀具刃口處切削熱不易傳出，刀刃磨損加劇。 

 

7）彈性模量小。鈦合金（退火態 M）的彈性模量 E 為 110GPa，約為一般鋼材的 1/2，切削時徑向力易使工件產生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損， 也對零件精度造成影響。
 

                                                                                                                        鈦合金切削的特點

                             

   鈦合金加入高強度、高硬度合金元素，添加元素愈多，愈難于切削加工。鈦合金的最適宜的切削加工硬度范圍為（32 ～ 38）HRC ，在硬度高于 38HRC 時， 刀具磨損嚴重，切削加工困難 ；低于 32HRC 時，易出現粘刀現象，也不易切削。鈦合金材料難于切削加工，除了與硬度有關，還因其具有熱導率系數小、化 學活性大和彈性模量小等特性，導致其切削加工性能極其惡劣。 

 

 

  2.1 變形系數小 

切削鈦合金的切屑變形系數略小于 1 或接近于 1。其塑性變形小和切屑收縮率小，高溫切削時，鈦由 α 相向 β 相轉變，而 β 相鈦的體積增大，引起切屑在前刀面滑動摩擦路徑增長。在高溫作用下，同時鈦屑吸收空氣中的 O、H 和 N，塑性降低，切屑不 再收縮，從而加速刀具磨損。
 

 

  2.2 切削溫度高 

鈦合金由于熱導率低，切削熱傳出困難，致使切削區溫度增高。在相同的切削條件下，其切削溫度比 45 鋼高將近 1 倍。還因其塑性變形小，切屑與前刀面接觸短，切削熱集中于切削刃狹小區域內不易傳出， 造成刀具升溫，刀刃磨損加快。 
 

 

 2.3 易形成硬脆表層 

鈦合金的化學活性大，在高溫切削時，鈦吸收 N、 O 等氣體而產生硬脆表層。在切削過程中，產生切屑經過刀具前刀面，并與前刀面緊密接觸而形成粘結層 (a) ；在切削過程中，在主切削刃附近會形成平行于切削刃的一系列的月牙洼 ；嚴重時，距主切削刃一定距離內的刀具材料被剝離，形成凹坑 (b) ；因切削力的 波動，導致刀具的刀尖部分發生微崩刃現象（c） 。
 

  2.4 切削力大

切削鈦合金的主切削力比切削一般鋼材小 20% 左右。鈦合金在切削過程中通常形成鋸齒狀切屑， 可引起切削力隨時間的周期性波動。由于刀具與切屑的接觸的長度極短，使單位面積上的切削力卻增加， 容易造成刀具崩刃或局部崩刃。 

 

  2.5 刀具易磨損 

 鈦合金毛坯經過鍛造、熱軋等方法加工后，形成硬而脆的不均勻外皮，切除硬皮是加工鈦合金的一大難點，極易造成刀具磨損。用硬質合金刀具加工鈦合金，對刀刃的磨損形貌主要有三種 ：粘結層 (a)、月 牙洼 (b) 和微崩刃 (c)。
 

 合理選擇切削用量，是攻克鈦合金高效切削加工必備條件之一。鈦合金 TC4 是當前使用廣泛的鈦合金之一，約占 75% ～ 85%。以 TC4 鍛件為研究對象， 選擇硬質合金刀具并在數控車床上進行實驗，車削過程中的切削力采用壓電式測力儀測量。 

 

 3.1 切削速度 

在進給量 0.12mm/r、切深 1.0mm 條件下，切削 TC4 鍛件，得出進給抗力 Fx 隨著切削速度的增加而逐漸增加 ；切深抗力 Fy 和主切削力 Fz 隨著切削速度的增加先降低后增加 ，但波動變化相對較弱。
 

 3.2 進給量 

 在切削速度50 m/min和切削深度1.0 mm條件下， 當進給量小于 0.13 mm/r 時，主切削力 Fz 隨著進給量的增加而增加 ；進給量為 0.097 mm/r 時，進給抗力 Fx 明顯減小 ；進給量為 0.084 mm/r 時，切深抗力 Fy 也明顯減小。當進給量從 0.13 mm/r 開始增加時， 切削力的波動量減弱 ；由于高切削溫度引起的工件材料的軟化，導致進給抗力和切深抗力的降低，進給抗 力變化尤為明顯。因此，切削 TC4 鍛件切削力隨著進給量的變化趨勢 ，
 

 3.3 切削深度 

在切削速度 50 m/min 和進給量 0.12 mm/r 條件下，在小切削深度下，刀尖圓弧不能夠完全參與到切削過程中，當切削深度小于 0.8 mm 時，出現切削力的急劇增加。當切削深度在（0.8 ～ 1.0）mm 時，由于較高的切削溫度提高了工件材料的高溫軟化率，導致切削力明顯的降低。在切削深度超過 1.0mm 時， 三個方向的切削力隨切深增加而增加。當切深繼續增加時，主切削刃長度隨之增加，切削熱的散熱面積也相應增大，切削溫度隨切削深度增加變化不大，刀具前刀面的積屑瘤對切削力影響也不明顯。因此切削 TC4 鍛件時切削力隨著切削深度的變化趨勢，

 

 

    總之，切削鈦合金材料時，隨著切削速度、進給量和切削深度的增加，單位時間的切削量和刀具表面粘結鈦合金材料等條件會發生改變，最終將引起切削鈦合金的切削力隨著切削參數的變化而發生改變。因此，根據切削力的變化，合理選擇切削用量，從而提升對鈦合金的數控高效切削。 
 

 

 

選擇硬質合金刀具（山高 刀具材質 F40M），在剛性好、精度較高的數控機床上，對鈦合金 TC4 鍛件分別進行車、鉆、銑等機加試驗，得到切削鈦合金的參數范圍為 ：切削速度 Vc=（25 ～ 75）m/min， 進給量 f ≤ 0.3mm/r，切削深度≤ 1.0mm。具體如何合理選擇切削用量，

 

                                                                                  數控加工鈦合金刀具用選

 

   鈦合金按其退火組織可分為三類 ：α 相、β 相 和 α+β 相。α 鈦合金的切削性能相對較好，α+β 鈦合金次之，β 鈦合金最差。由于 TC4 材料力學性 能優良，工藝性能較成熟，故針對 TC4 進行研究， 探索適合切削鈦合金的刀具材質和刀具幾何參數等工藝系統，實現對鈦合金的高效數控切削。

 

   5.1 切削鈦合金的刀具材質 

 切削加工鈦合金時，應選用硬度高、耐磨性好、 抗彎強度高、熱導率高和與鈦合金親和作用小的刀具材質。通過試驗，發現硬質合金是當前比較適合加工鈦合金的刀具材質，性價比高。應選擇添加 TaC 或 NbC 的 YG 類細晶粒或超細晶粒硬質合金，牌號有 YS2T、YG813、YG6X 等。涂層選擇 TiAlN、TiAlSi 和 TiAlN+CrC 涂層及金剛石涂層。如圖 6 所示。
 

  5.2 切削鈦合金刀具的幾何參數 

一般選前角 r0=5°～ 15°，后角 α0 ≥ 15°，主、 副偏角、刀尖半徑等的選用，要根據粗、精加工條件， 以及數控加工時工件表面粗糙度 Ra 的要求等進行選 擇。具體見表 4。

                                                                                                 切削鈦合金的切削液
 

   試驗得出，在加冷卻液潤滑、濕切的條件下，可提高刀具耐用度和加工效率。為了降低切削溫度，應在切削區澆注大量以冷卻為主的切削液。對切削液的熱導率、比熱、熱容量、汽化熱、汽化速度、流量和流速要求較高。一般是水比油的熱導率高 3 ～ 5 倍，比熱大 1 倍，汽化熱大約 10 倍，故水溶性和冷卻性能較好。在數控車削、銑削和鉆削時，常采用乳化液或采用添加極壓添加劑（含 S、P 和 Cl）水溶液 。極壓水溶液的配方是 ：氯化脂肪酸、聚氯乙烯0.5% ～ 0.8%，磷酸三鈉 0.5%，三乙醇胺 1% ～ 2%， 亞硝酸鈉 1.2%，其余為水。
                                                                                                  數控加工鈦合金的注意事項

 

  1）在所有數控加工過程中，尤其粗加工，在條件允許時加切削液，有助于刀具降溫、潤滑及吹屑， 盡量避免干切削。 

 

 

  2）用端銑刀銑削平面時，數控加工優先選擇順銑 (a) 和不對稱 銑 (b)， 不對稱銑的偏心距 ae=(0.04 ～ 0.1)d(d 為刀具直徑 )。對個別普通機床絲杠螺母間隙大，鑲條松，不利于順銑時，可以采用逆銑（c）方式加工，但適當調整切削參數

 

 

  3）數控加工時，進給量對工件加工表面粗糙度影響最大，其次是切削深度，最次是切削速度。工件表面粗糙度隨進給量增加而增加，隨著切削速度和切削深度的增加均減少。

 

  4）切削鈦合金材料，減小徑向力使工件產生的彎曲變形，降低振動，保證零件精度，應選擇剛性好的設備和刀具等工藝系統 ；同時盡量減小對工件的夾緊力，使夾緊確保工件的相對位置即可。 
 

 

   鈦合金材料在軍用裝備領域應用愈來愈廣。針對其較難切削加工的機理特點，根據工件形狀等技術要求，在優先選擇數控加工機床和工件裝夾等工藝系統的基礎上，通過合理選擇刀具材料、刀具幾何參數、 切削液及切削用量等手段，并采用試切的方式，實現對鈦合金材料的高效加工。

 

 

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