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鈦合金以其比強度高

鈦合金以其比強度高、機械性能及抗蝕性良好而成為飛機及發動機理想的製造材料,但由於其切削加工性差,長期以來在很大程度上制約了它的應用。隨著加工工藝技術的發展,近年來,鈦合金已廣泛應用於飛機發動機的壓氣機段、發動機罩、排氣裝置等零件的製造以及飛機的大樑隔框等結構框架件的製造。我公司某新型航空發動機的鈦合金零件約占零件總數的11%。本文是在該新機試製過程中積累的對鈦合金材料切削特性以及在不同加工方法下表現出的具體特點的認識及所應採取工藝措施的經驗總結。

1 鈦合金的切削加工性及普遍原則
鈦合金按金屬組織分為a相、b相、a+b相,分別以TA,TB,TC表示其牌號和類型。我公司某新型發動機所用材料為TA,TC兩種。一般鑄、鍛件採用TA系列,棒料用TC系列。

特點及切削加工性
鈦合金相對一般合金鋼具有以下優點:
比強變高:鈦合金密度只有4.5g/cm3,比鐵小得多,而其強度與普通碳鋼相近。
機械性能好:鈦合金熔點為1660℃,比鐵高,具有較高的熱強度,可在550℃以下工作,同時在低溫下通常顯示出較好的韌性。

抗蝕性好:在550℃以下鈦合金表面易形成緻密的氧化膜,故不容易被進一步氧化,對大氣、海水、蒸汽以及一些酸、堿、鹽介質均有較高的抗蝕能力。
另一方面,鈦合金的切削加工性比較差。主要原因為:
導熱性差,致使切削溫度很高,降低了刀具耐用度。
600℃以上溫度時,表面形成氧化硬層,對刀具有強烈的磨損作用。
塑性低、硬度高,使剪切角增大,切屑與前刀面接觸長度很小,前刀面上應力很大,刀刃易發生破損。
彈性模量低,彈性變形大,接近後刀面處工件表面回彈量大,所以已加工表面與後刀面的接觸面積大,磨損嚴重。
鈦合金切削過程中的這些特點使其加工變得十分困難,導致加工效率低,刀具消耗大。
切削加工的普遍原則
根據鈦合金的性質和切削過程中的特點,加工時應考慮以下幾個方面:
盡可能使用硬質合金刀具,如鎢鈷類硬質合金與鈦合金化學親和力小、導熱性好、強度也較高。低速下斷續切削時可選用耐衝擊的超細晶粒硬質合金,成形和複雜刀具可用高溫性能好的高速鋼。

採用較小的前角和較大的後角以增大切屑與前刀面的接觸長度,減小工件與後刀面的摩擦,刀尖採用圓弧過渡刃以提高強度,避免尖角燒損和崩刃。

要保持刀刃鋒利,以保證排屑流暢,避免粘屑崩刃。
切削速度宜低,以免切削溫度過高;進給量適中,過大易燒刀,過小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過快;切削深度可較大,使刀尖在硬化層以下工作,有利於提高刀具耐用度。

加工時須加冷卻液充分冷卻。
切削鈦合金時吃刀抗力較大,故工藝系統需保證有足夠的剛度。由於鈦合金易變形,所以切削夾緊力不能大,特別是在某些精加工工序時,必要時可使用一定的輔助支承。
以上是鈦合金加工時需考慮的普遍原則,事實上,用不同的加工方法時及在不同的條件下存在著不同的矛盾突出點和解決問題的側重點。
2 鈦合金切削加工的工藝措施
車削
鈦合金車削易獲得較好的表面粗糙度,加工硬化不嚴重,但切削溫度高,刀具磨損快。針對這些特點,主要在刀具、切削參數方面採取以下措施:

刀具材料:根據工廠現有條件選用YG6,YG8,YG10HT。
刀具幾何參數:合適的刀具前後角、刀尖磨圓。
較低的切削速度。
適中的進給量。
較深的切削深度。
選用的具體參數見表1。
表1 車削鈦合金參數表 工序 車刀前角go
° 車刀後角ao
° 刀尖圓弧半徑re
mm 切削速度v
m/min 切削深度ap
mm 進給量f
mm/r
粗車 5 6~10 1~2 40 3 0.2~0.3
精車 5 6~10 0.5 60 0.2~0.5 0.1
此外還須注意以下3點:
充分冷卻。
車外圓時刀尖不能高於工件中心,否則容易紮刀。
精車及車削薄壁件時,刀具主偏角要大,一般為75~90°。
銑削
鈦合金銑削比車削困難,因為銑削是斷續切削,並且切屑易與刀刃發生粘結,當粘屑的刀齒再次切入工件時,粘屑被碰掉並帶走一小塊刀具材料,形成崩刃,極大地降低了刀具的耐用度。因此對鈦合金銑削採取了3點措施:

銑削方式:一般採用順銑。
刀具材料:高速鋼M42。
從工件裝夾及設備方面提高工藝系統剛性。
這裏需要特別指出的是:一般合金鋼的加工均不採用順銑,因機床絲杠、螺母間隙的影響,順銑時,銑刀作用在工件上,在進給方向上的分力與進給方向相同,易使工件台產生間隙性竄動,造成打刀。對順銑而言,刀齒一開始切入就碰到硬皮而導致刀具破損。但由於逆銑切屑是由薄到厚,在最初切入時刀具易與工件發生幹摩擦,加重刀具的粘屑和崩刃,就鈦合金而言,後一矛盾顯得更為突出。

此外,為使鈦合金順利銑削,還應注意以下幾點:
相對於通用標準銑刀,前角應減小,後角應加大。
銑削速度宜低。
儘量採用尖齒銑刀,避免使用鏟齒銑刀。
刀尖應圓滑轉接。
大量使用切削液。
為提高生產效率,可適當增加銑削深度與寬度,銑削深度一般粗加工為1.5~3.0mm,精加工為0.2~0.5mm。
磨削
磨削鈦合金零件常見的問題是粘屑造成砂輪堵塞以及零件表面燒傷。其原因是鈦合金的導熱性差,使磨削區產生高溫,從而使鈦合金與磨料發生粘結、擴散以及強烈的化學反應。粘屑和砂輪堵塞導致磨削比顯著下降,擴散和化學反應的結果,使工件被磨表面燒傷,導致零件疲勞強度降低,這在磨削鈦合金鑄件時更為明顯。為解決這一問題,採取的措施是:

選用合適的砂輪材料:綠碳化矽TL。
稍低的砂輪硬度:ZR1。
較粗的砂輪粒度:60。
稍低的砂輪速度:10~20m/s。
稍小的進給量。
用乳化液充分冷卻。
鑽削
鈦合金鑽削比較困難,常在加工過程中出現燒刀和斷鑽現象。這主要是由於鑽頭刃磨不良、排屑不及時、冷卻不佳以及工藝系統剛性差等幾方面原因造成的。因此,在鈦合金鑽削加工中須注意以下幾點:

刀具材料:高速鋼M42,B201或硬質合金。
合理的鑽頭刃磨:加大頂角、減少外緣前角、增大外緣後角,倒錐加至標準鑽頭的2~3倍。
勤退刀並及時清除切屑,注意切屑的形狀和顏色。如鑽削過程中切屑出現羽狀或顏色變化時,表明鑽頭已鈍,應及時換刀刃磨。

加足切削液:一般用豆油,必要時可加法國OLTIP鑽孔攻絲專用油。
提高工藝系統剛性:鑽模應固定在工作臺上,鑽模引導宜貼近加工表面,儘量使用短鑽頭。
還有一個值得注意的問題是:當採取手動進給時,鑽頭不得在孔中不進不退,否則鑽刃摩擦加工表面,造成加工硬化,使鑽頭變鈍。

鉸削
鈦合金鉸削時刀具磨損不嚴重,使用硬質合金和高速鋼鉸刀均可。工廠常用的有W18Cr4V,M42,YW1,YG8,YG10HT等。使用硬質合金鉸刀時,要採取類似鑽削的工藝系統剛度,防止鉸刀崩刃。鈦合金鉸孔時出現的主要問題是鉸孔不光,可採取以下解決措施:

用油石修窄鉸刀刃帶寬度,以免刃帶與孔壁粘結,但要保證足夠的強度,一般刃寬在0.1~0.15mm為好。

切削刃與校準部分轉接處應為光滑圓弧,磨損後要及時修磨,並要求各齒圓弧大小一致。
必要時可加大校準部分倒錐。
兩次鉸削。粗鉸餘量0.1mm,精鉸餘量一般小於0.05mm。
主軸轉速60r/min。
鉸完退刀時,手鉸不能反轉退出,機鉸應不停車退出鉸刀。
攻絲
鈦合金攻絲,特別是M6mm以下的小孔攻絲相當困難。主要因為切屑細小,易與刀刃及工件粘結,造成加工表面粗糙度值大,扭矩大。攻絲時絲錐選用不當及操作不當極易造成加工硬化,加工效率極低並時有絲錐折斷現象。其解決辦法如下:

優先選用一絲到位的跳牙絲錐,齒數應較標準絲錐少,一般為2~3齒。切削錐角宜大,錐度部分一般為3~4扣螺紋長度。為便於排屑,還可在切削錐部分磨出負傾角。儘量選用短絲錐以增加絲錐剛性。絲錐的倒錐部分應較標準的適當加大,以減少絲錐與工件的摩擦。

加工螺紋底孔時,先粗鑽再用擴孔鑽擴孔,以減小底孔的加工硬化。對於螺距為0.7~1.5mm的螺紋,底孔尺寸可加工到國標規定的標準螺紋底孔的上差並允許再加大0.1mm。

如果不受螺孔位置及工件形狀限制,儘量採用機攻,避免手工攻絲進給不勻、中途停頓而造成的加工硬化。
鈦合金以其比強度高、機械性能及抗蝕性良好而成為飛機及發動機理想的製造材料,但由於其切削加工性差,長期以來在很大程度上制約了它的應用。隨著加工工藝技術的發展,近年來,鈦合金已廣泛應用於飛機發動機的壓氣機段、發動機罩、排氣裝置等零件的製造以及飛機的大樑隔框等結構框架件的製造。我公司某新型航空發動機的鈦合金零件約占零件總數的11%。本文是在該新機試製過程中積累的對鈦合金材料切削特性以及在不同加工方法下表現出的具體特點的認識及所應採取工藝措施的經驗總結。

1 鈦合金的切削加工性及普遍原則
鈦合金按金屬組織分為a相、b相、a+b相,分別以TA,TB,TC表示其牌號和類型。我公司某新型發動機所用材料為TA,TC兩種。一般鑄、鍛件採用TA系列,棒料用TC系列。

特點及切削加工性
鈦合金相對一般合金鋼具有以下優點:
比強變高:鈦合金密度只有4.5g/cm3,比鐵小得多,而其強度與普通碳鋼相近。
機械性能好:鈦合金熔點為1660℃,比鐵高,具有較高的熱強度,可在550℃以下工作,同時在低溫下通常顯示出較好的韌性。

抗蝕性好:在550℃以下鈦合金表面易形成緻密的氧化膜,故不容易被進一步氧化,對大氣、海水、蒸汽以及一些酸、堿、鹽介質均有較高的抗蝕能力。
另一方面,鈦合金的切削加工性比較差。主要原因為:
導熱性差,致使切削溫度很高,降低了刀具耐用度。
600℃以上溫度時,表面形成氧化硬層,對刀具有強烈的磨損作用。
塑性低、硬度高,使剪切角增大,切屑與前刀面接觸長度很小,前刀面上應力很大,刀刃易發生破損。
彈性模量低,彈性變形大,接近後刀面處工件表面回彈量大,所以已加工表面與後刀面的接觸面積大,磨損嚴重。
鈦合金切削過程中的這些特點使其加工變得十分困難,導致加工效率低,刀具消耗大。
切削加工的普遍原則
根據鈦合金的性質和切削過程中的特點,加工時應考慮以下幾個方面:
盡可能使用硬質合金刀具,如鎢鈷類硬質合金與鈦合金化學親和力小、導熱性好、強度也較高。低速下斷續切削時可選用耐衝擊的超細晶粒硬質合金,成形和複雜刀具可用高溫性能好的高速鋼。

採用較小的前角和較大的後角以增大切屑與前刀面的接觸長度,減小工件與後刀面的摩擦,刀尖採用圓弧過渡刃以提高強度,避免尖角燒損和崩刃。