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TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择 |
| 来源：信息中心 时间：2009-2-1 10:17:20 |
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本文提出的TA15、TB6钛合金切削加工用量及刀具的选择方法，在TA15、TB6钛合金零件研制过程中得到了验证，为今后进一步开展其他钛合金切削加工的研究提供了参考与借鉴。 |
| 傅勇：1987年毕业于南京航空航天大学机械制造工艺及设备专业，一直从事机械制造工艺技术工作。先后担任多个机型的型号主任师，现任洪都航空工业集团公司制造工程部零件工艺室主任，高级工程师。 |
TA15、TB6两种钛合金材料具有重量轻、强度高、耐热、耐腐蚀、疲劳性能好等一系列优良的力学、物理性能，成为航空航天、核能、船舶等领域理想的结构材料之一。但由于该材料价格昂贵，难加工，尤其是铣削加工制造周期长、成本高，制约了它的应用。而新一代航空产品需要具备更优异的性能新材料、新结构、新工艺被广泛应用。同时，为了竞争的需要，研制周期短和制造成本低是取胜的关键，因此，开展对TA15、TB6两种钛合金材料切削加工的研究是必要的，特别是铣削高效加工的探索尤其显得紧迫和重要。
TA15、TB6钛合金材料主要特征
TA15 a钛合金是a相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在930MPa以上，耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，500～600 ℃下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。
TB6 b钛合金是b相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在1105MPa 以上，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。
TA15、TB6钛合金的切削加工工艺特性
- 摩擦系数大，导热系数低，刀尖切削温度高。钛合金热导率仅为钢的1/4 、铝的1/14 、铜的1/25 , 因而散热慢，不利于热平衡。切削时产生的切削热都集中在刀尖上，使刀尖温度很高，易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。
- 弹性模量小。钛合金的弹性模量只有30CrMnSi的56% ，这说明零件的刚性差，切削时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命；同时造成已加工面的弹性恢复较大，刀具后面摩擦增加导致刀具过快磨损。
- 化学活性大。在300℃ 以上时有强烈的吸氢、氧、氮的特性，造成加工表面易产生脆硬的化合物，切屑形成短碎片状，使刀具极易磨损。
- 钛合金化学亲和力较强，极易与其他金属亲和结合。在加工中切屑与刀具的粘结现象严重，使刀具的粘结和扩散磨损加大。
TA15、TB6钛合金零件切削用量和刀具参数的选择
- 主要加工方法
- 钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄(2～3mm) ，主要配合表面的尺寸精度、形位公差又较严，因此每项结构件都必须按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排工序。主要表面分阶段反复加工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计前角g0=4°～8°，后角a0=12°～18°，主偏角Ø45°～75°，刃倾角l=0°，刀尖圆弧半径r=0.5～1.5mm 。
- 切削用量的选择：主轴转速n≥23Or/min，进给量f ≥0.10～0.15mm/r ，切削深度ap=1.5～2.0mm 。
- 车削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，提高刀具的耐用度。
表1 铣削刀具参数
| 刀具 |
前角g0
(°) |
后角a0
(°) |
螺旋角b
(°) |
刀尖 |
齿背 |
备注 |
| 立铣刀 |
粗 |
O～4 |
12～15 |
30～45 |
按需 |
R形 |
b大：切削平稳 |
| 精 |
4～8 |
15～20 |
30～45 |
按需 |
R形 |
a0大：切削力小，机床震动小 |
| 三面刃铣刀 |
3～10 |
12～15 |
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按需 |
|
|
| 端铣刀 |
0～5 |
12～15 |
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主偏角Ø45°～75° |
表2 常规加工铣削用量
| 刀具材料 |
立铣刀直径d
(mm) |
切削速度V
(m/min) |
进给量f
(mm/min) |
切削深度ap
(mm) |
切削宽度ac
(mm) |
切削刃总长l
(mm) |
使用机床 |
| K30 |
≤25 |
25～35 |
50～100 |
0.3～0.5 |
1.5 |
50～150 |
数控加工中心 |
| K30 |
>25 |
25～35 |
100～150 |
0.3～0.5 |
2.5 |
50～150 |
数控加工中心 |
表3 高效加工铣削用量
| 刀具材料 |
立铣刀直径d
(mm) |
切削速度V
(m/min) |
进给量f
(mm/min) |
切削深度ap
(mm) |
切削宽度ac
(mm) |
切削刃总长l
(mm) |
使用机床 |
| K30 |
≤25 |
40～70 |
200～300 |
0.3～0.8 |
1.5～5 |
30～40 |
强力铣加工中心 |
| K30 |
>25 |
40～120 |
300～400 |
0.3～0.8 |
2.5～8 |
30～60 |
强力铣加工中心 |
- 磨削用量及刀具的选择
- 磨削加工可获得较高精度，但由于钛合金的特有性质决定了钛合金磨削非常困难。磨削时砂轮磨损严重，容易变钝，磨削比也较低；同时易在表面产生有害的拉应力及严重的表面烧伤现象，因此应尽量避免磨削加工，以精铣代替。
- 磨削材料选择：磨削钛合金选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料。如出现磨削烧伤趋势，应使用人造金刚石或立方氮化硼砂轮，其效果好，但价格昂贵。砂轮硬度选择较软砂轮R3、ZR1、ZR2，粒度选择46、60为佳，选A类结合剂。
- 磨削用量选择见表4。
- 钛合金零件在磨削过程中必须充分冷却，否则零件会变色甚至烧伤。磨削液除具有冷却、润滑和冲洗作用外，更重要的还在于能有效地抑制钛与磨料的粘附和化学反应。
表4 磨削用量
| 磨削方法 |
砂轮速度v
(m/s) |
工作台速度V1
(m/min) |
工件速度V2
(m/min) |
磨削深度ap
(mm) |
横向进给①fa
(mm/st) |
纵向进给②fb
(mm/r)
(砂轮宽度B) |
| 平面磨 |
粗 |
15～18 |
10～20 |
|
0.025～0.035 |
0.5～4.0 |
|
| 精 |
15～18 |
6～12 |
|
0.010(较大) |
0.5～4.0 |
|
| 外圆磨 |
粗 |
15～18 |
|
15～30 |
0.025～O.035 |
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1/5B |
| 精 |
15～18 |
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15～30 |
0.010(较大) |
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1/10B |
| 注：①横向进给fa(mm/st)指工作台每单行程砂轮对工件横向移动量；②纵向进给fb(mm/r)指工件每旋转一转，砂轮对工件纵向移动量。 |
- 钻削用量及钻头的选用
- 钛合金钻削材料应选择具有足够的硬度、强度、韧性、耐磨性及与钛合金亲合能力低的材料，主要为W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al、W12Cr4V4Mo、W2Mo9Cr4VCo5和YG8、K30等。
- 钻头的几何形状，应注意：
表5 不同规格钻头的螺旋角
| 钻头直径D：(mm) |
2～6 |
6～18 |
18～50 |
| 螺旋角b：(°) |
43～45 |
40～42 |
35～40 |
表6 钻头直径与外缘处后角af的关系
| 钻头直径D：(mm) |
2～6 |
6～18 |
18～50 |
| 外缘处后角af：(°) |
17～20 |
15～18 |
12～15 |
表7 钻头直径D与倒锥度的关系
| 钻头直径D：(mm) |
2～6 |
6～18 |
18～50 |
| 倒锥度：(mm/100mm) |
0.03～0.05 |
0.04～0.08 |
0.05～0.12 |
表8 钻头直径D与切削用量的关系
| 钻头直径D：(mm) |
主轴转速(r/min) |
进给量f (mm/r) |
| ≤3 |
650～450 |
0.04～0.06 |
| 3～6 |
450～350 |
0.06～0.11 |
| 6～10 |
350～300 |
0.07～0.12 |
| 10～15 |
250～200 |
0.08～0.14 |
| 15～20 |
180～150 |
0.11～0.15 |
| 20～25 |
120～90 |
0.12～0.20 |
表9 铰削用量
| 刀具材料 |
铰刀直径D
(mm) |
主轴速度n
(r/min) |
每齿进给量ar
(mm) |
铰削余量(单边)ap
(mm) |
| M42 |
≤10 |
250～120 |
0.02～0.04 |
粗铰：0.10～0.15 |
| >10～20 |
120～80 |
0.025～0.050 |
精铰：0.05～0.10 |
| K30 |
≤10 |
800～400 |
0.02～0.04 |
粗铰：0.1～0.2 |
| >10～20 |
400～200 |
0.025～0.050 |
精铰：0.05～0.10 |
- 适当增大钻头顶角，顶角范围由118°～120°增加到135 °～140°，其目的是增强切削部分并使切削厚度增加，改善钻削效果。
- 选择合适的螺旋角b，b角增加，前角也增加，切削轻快，易于排屑，扭矩和轴向力也小，见表5。
- 增大钻心厚度，以提高钻头强度。钻心厚度一般为：K=(0.45～0.32)D，D为钻头直径。
- 增大钻头外缘处后角，可以使横刃锋利，改善切削性能，特别对钻心处的钻削加工有明显改善，外缘处后角选择见表6 。
- 加工成倒锥K，减小棱带同孔壁摩擦，使钻头切削时扭矩减小，提高效率，倒锥度见表7。
- 钻削用量见表8 。
- 钛合金进行钻削和攻丝加工时最好不用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆。钻削浅孔时，可用电解切削液；钻削深孔时，可用N32机械油加煤油，也可用硫化切削
- 铰削用量及刀具的选用
- 钛合金铰孔是最后一道精加工工序，不仅要考虑生产率的问题，更重要的是要保证孔的加工质量(精度和表面粗糙度)。为此必须保证刀具质量，合理选择切削用量，注意铰刀与钻铰模的协调和正确的操作技术。通过钻孔→扩孔(粗铰)→精铰的加工方法，一般都能满足产品零件规定的要求。
- 刀具材料一般选用M42高速钢或硬质合金K30。刀具的几何参数为：前角g0=3°～7°，后角a0=12°～18°，主偏角Ø=5°～18°，刃倾角l=0°。校准部分刃带宽度b=0.05～0.15mm ，过宽容易同钛合金加工表面粘结，过窄容易在铰削时产生振动。铰刀齿数Z=4～8(铰刀直径为Ø10～20mm)。我们加工的肋和接头，因加工的两孔跨度较长，同轴度要求较高，为此专门设计了加长钻头和铰刀。
- 切削用量的选择见表9。
- 铰削时应不断地注人冷却润滑液以获得较好的表面粗糙度，同时应勤排屑，及时清除铰刀刃上的切屑末，铰削时要匀速地进退刀。
- 攻丝用量及刀具参数的选
- 钛合金攻丝时会产生很大的挤压变形，作用在螺纹齿侧的摩擦力加大，这样不但使加工出来的螺纹表面粗糙度不好，而且丝锥容易折断。为了改变这种情况，可以采用跳牙丝锥或改进丝锥结构(加大校正段刀齿的后角或加大倒锥度)的方法，以减少切削扭矩和摩擦扭矩，增大容屑空间，改善攻丝的切削性能。另外，钛合金攻丝前的底孔直径一般应大于标准值，而且底孔的表面粗糙度应达到Ra≤3.2µm 。
- 刀具材料和几何参数选橄丝锥材料选用M2Al、M42高速钢。丝锥几何参数为：前角g0=5°～8°，后角a0=8°～10°，丝锥校堆段齿背圆柱刃带b1=0.1～0.2mm 。主偏角Ø6°～10°(通孔)、Ø=15°～20°(不通孔)；头锥Ø=2°～3°，二锥Ø=4°～5°。
- 切削用量选择：攻丝的切削用量也只有速度(转速)一项可选，钛合金攻丝速度v为3～6m/min。攻丝时应及时清除丝锥刃部毛刺、切屑末，以免损伤螺纹；攻丝时要勤退刀。
- 攻丝时要加适量的冷却润滑液，建议使用蓖麻油或机油，以保证螺纹粗糙度要求。
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