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钛合金切削加工特点及刀具材料选用

作者: 发布时间:2017-09-14 浏览次数:250

        钛合金以优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐腐蚀性,被誉为是一种使人类走向太空时代的战略性金属材料,不仅在航空航天及军工领域得到广泛的使用,而且开始逐渐渗透到经济生活的各个方面。随着中国航空航天事业的发展,钛合金的加工技术受到更多的关注和研究。

  钛合金的分类

  钛合金按照不同的方法有不同的分类,最常用的分类方法是按退火后组织特点分类,可分成α、α+β、β型钛合金。

 

  α型钛合金密度小,有很好的热强性和热稳定性,焊接性能好,室温、超低温和高温性能良好,但不能进行热处理强化。例如TiAl在600℃时,仍然有很高的强度,而且蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等方面都有好的表现,常用于喷气发动机涡轮盘和叶片的制造。

 

  α+β型钛合金双相合金,组织稳定,韧性、塑性和高温变形性能随着β相稳定元素的增加而提高;有较好的热压力加工性,能进行淬火时效使合金强化,热处理后的强度约比退火状态提高50%~100%;高温强度高,可在400~500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。α+β型钛合金中Ti-6Al-4V(中国牌号TC4)是钛合金中使用量最大的钛合金,在美国,其产量占钛合金产量一半以上,以其优良的综合力学性能和切削加工性大量用于航空零件制造。

 

  钛合金是β相固溶体组成的单相合金,室温的强度较高,冷加工和冷成型加工能力强,未热处理即具有较高的强度,淬火时效后合金强度得到进一步强化,室温强度可达1372~1666MPa;但热稳定性较差,不宜在高温下使用。

 

  钛合金本身所具有的物理和化学性能给切削加工带来了困难,具体表现有以下6点。

 

  (1)钛合金的导热性差,是不良导热体金属材料。由于导热、导温系数小,是45号钢的1/6,所以在加工时所产生的高热量不能有效扩散,同时刀具的切削刃和切屑的接触长度短,使热量大量聚集在切削刃上,温度急剧上升,导致刀刃的红硬性下降,刀刃软化,加快刀具磨损。

 

  (2)钛合金的亲和力大。钛合金在加工中黏刀现象严重。增大了刀体与工件的摩擦,摩擦导致大量的热,降低了刀具的使用寿命。

 

  (3)高的化学活性。在加工中,随着切屑温度的升高,容易与空气中的O、N、CO、CO2、H2O等发生反应,使间隙元素O、N的含量增加,工件的表面氧化变硬,难以加工,增大了刀具单位面积上所承受的切削力,刀尖应力变大,同时使前刀面和后刀面与工件的摩擦加剧,这将导致刀刃迅速磨损或崩刃[15]。

 

  (4)钛合金的变形系数不大于1。在切削加工中,刀-屑接触面积小,增大了切屑和前刀面的摩擦,提高了切削温度,加快了刀具前刀面磨损。

 

  (5)钛合金的弹性模量小,在切削中容易产生较大变形、回弹、扭曲和振动,造成加工件几何形状和精度差,表面粗糙度增大,刀具磨损增加。

 

  (6)不同的加工方法,钛合金的加工难度不同。

 

  按机械加工由易到难排序为:车削、铣削、钻削、磨削。其中钻小直径深孔更困难。

 

  钛合金切削加工的刀具材料

 

  钛合金加工的高成本是阻碍其广泛使用的主要原因,寻求一种高效率、低成本的加工方法已成为当今钛合金研究的热点。刀具材料的选择对于钛合金的加工有很大影响。加工钛合金的理想刀具材料必须同时具备较高的热硬度,良好的韧性、耐磨性,高的导热系数和较低的化学活性,在铣削时,刀具还应具有良好的抗冲击性。

 

  当今在生产实际中用来加工钛合金的刀具材料主要有:硬质合金、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等。经过生产实际验证,硬质合金和PCD刀具被认为是加工钛合金比较理想的刀具材料。

 

  1硬质合金刀具

 

  硬质合金刀具是目前加工钛合金应用最为广泛的一种刀具。因其低廉的价格、优良的导热性、较高的硬度、韧性和红硬性己成为国内企业加工钛合金的首选。硬质合金按晶粒的大小可分为普通硬质合金、细晶粒硬质合金和超细晶粒硬质合金;按化学成分可分为钨钴类(YG)、钨钴钛类(YT)和添加稀有碳化物类(YW)。由于钨钴钛(YT)类刀具和钛合金有强烈的亲和力,所以目前在工业生产中获得广泛应用的仍然是钨钴类硬质合金YG8、YG6、YG3等。如果使用添加的稀有金属的细晶粒硬质合金YA6、YD15、YG10H、YS2等,可提高刀具的寿命和加工效率。


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