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钛合金车削加工的基本原理

来源:钛棒,钛板,钛管,钛丝,钛设备,钛合金,钛材 发布时间:2015-10-26 11:20:13

首先,钛合金的弹性模数小,其中TC4的弹性模量E=110GPa,约为钢的一半,而且导热性低,因而由切削力所引起的被加工件弹性变形大,同时在加工过程中会产生较高和较集中的切削力。这样就容易产生振动而导致切削时出现震颤,降低工件精度,因此要改善加工系统的刚性。其次,钛合金在切削加工中所产生的局部高温,使钛很容易吸收大气中的氧和氮,从而形成又硬又脆的外皮。这就会造成工件加工表面的加工硬化现象,而且加工硬化速度快,使得刀具表面产生严重的划痕,容易在切削过程中产生崩刃现象。除此之外,钛合金材料本身的物理和化学性能使其切削加工时与工件亲和力大,切削加工时刀具与工件接触时易产生黏刀现象,增大了刀具与工件间的摩擦,产生大量的切削热。由此产生的大量切削热无法及时通过切屑散发出去,大大降低了刀具的使用寿命。因此加工钛合金的刀具必须具备高热硬度。

这里的钛合金加工可以被看作是一项系统工程,需要从加工设备、切削刀具、切削参数、冷却液等多个角度进行考虑。就加工设备而言,钛合金加工需要机床加工性能好,冷却充分,所以加工设备选择加工精度较高的数控车床,加工时主轴震动极小加工稳定性好。用于钛合金上海天天彩选4走势图加工的刀具材料的硬度及耐磨性要好,具有极好的耐热性、在高温下能保持较高的强度及韧性,以及一定的抗冲击性和抗破坏性。满足以上要求的刀具有:陶瓷刀具、涂层硬质合金刀具、立方氮化硼刀具(CBN)及类金刚石刀具(PCD)等。其中涂层硬质合金刀具价格低廉,且具有良好的导热性和较高的硬度,在红硬性和韧性等方面也表现出色,虽然比陶瓷、立方氮化硼刀具(CBN)、类金刚石刀具的耐热性和化学稳定性要差一些,但比陶瓷和类金刚石刀具具有较高的抗冲击性和抗破坏性。因此已成为加工钛合金的首选刀具。

随着航空航天领域发动机产品的更新换代,钛合金的使用比重越来越大:钛合金凭借优异的综合力学性能、密度小、抗腐蚀性强等特点,成为飞机发动机理想的制造材料。在航空发动机燃油控制系统中,钛合金已逐步取代耐热钢、不锈钢等材料,成为各类连接件、紧固件等部件的首选材料。但同时,钛合金的硬度高、耐磨性高等特点也给加工带来了极大的挑战,尤其是切削刀具,因钛合金的切削性差而导致刀具磨损快等加工难题频繁出现,严重影响了加工精度和效率。因此,中航西控主要通过对钛合金材料切削加工性能的分析,选用合理的加工刀具,确定较优的切削参数和加工工艺,来找到适合在数控车床上对钛合金轴类零件进行粗加工和精加工的有效途径。

目前,许多机床制造大型铝合金等轻金属高效高速加工数控机床,如果是用于高温合金等高强度钢,不锈钢制品加工,钛和航空航天等难加工金属材料具有高强度和高硬度达到加工显然是不合适的,虽然它也可以被切割的硬质合金材料,但其切削效率往往是不可接受的。主要原因是:正如前面所提到的硬质合金材料,钛和其他处理需要较大的切削力,或需要高扭矩主轴,高效高速数控机床主轴通常用于铝等轻金属切削扭矩多数小于100nm,一般不超过200nm,没有硬质合金高效加工钛和能力材料切割。如前所述,加工钛合金等硬合金材通常仅允许使用较低切削速度,即仅能使用较低主轴转速,而典型用于铝合金等轻合金材的切削加工的高效高速数控机床主轴转速范围和目前钛合金材加工工艺要求不相适应。因此,对用于钛合金材加工的数控加工机床结构、刚性、动态特性、主轴与坐标驱动、冷却系统、刀具与刀具接口以及控制系统等许多关键数控部件的设计制造都提出了新要求。主要包含如下若干方面基本要求。

的各种属性使之成为具有强大吸引力的零件材料,但其中许多属性同时也影响着它的可加工性。工业中常用钛合金为两相钛合金,即(α+β)钛合金,在航空发动机燃油附件中常用TC4、TC6,其中TC4是这类合金的典型代表。钛合金材料硬度高、切削性能差,且易产生加工硬化现象,给切削加工带来了困难。针对钛合金中TC4这类材料的零件,尤其是车削加工工艺,中航西控做了较为深入的研究,并取得了一些经验。在车削参数方面,钛合金加工也是需要更多考量的。如切削速度的设定,过高的切削速度会导致切削热升高,刀具切削刃过热、粘结现象严重,刀具磨损加重,会缩短刀具使用寿命;同时会导致钛合金工件表层开裂或氧化,影响工件的力学性能,所以应在保证较大的刀具耐用度下,选择适当较低的切削速度,降低加工成本并保证加工质量。其次是切削深度的设定,因钛合金工件加工前须进行预备热处理,使得工件表面有一层氧化层,为提高刀具的耐用度应采用相对较大的切削深度,可以直接切入钛合金机体未氧化的金属层,提高刀具使用寿命。另外一个参数设定时需要考虑的是进给量,进给量的大小对产生切削温度的大小影响不是很大,在保证加工效率的前提下,减小切削速度增大进给量是合理的切削方式。为保证加工质量及提高刀具的耐用度,还应考虑到冷却液的使用,比如要充分对加工区域进行冷却,冷却液不仅可以有效降低切削温度,还可以减少切削时对刀具的黏结现象,提高效率,延长刀具使用寿命。

从金属切削加工基本原理可知,对金属材铣削加工时有:mrr = aeapzfZ n×10-3 = PS×MRF(cm3/min) (1)从式(1)与(2)可看出,为取得高金属切除率mrr,作为钛合金材HEM-HSM加工的数控机床之主轴首先应具有足够高的功率。目前,对钛合金材(Ti-6-4)主轴功率指数SPF典型为0。06kW/cm3?min-1,为典型铝合金材的4倍。在实际工业生产中,综合考虑到刀具使用寿命、机床特性、加工精度和加工质量等诸多因素的约束,目前铣削钛合金材(Ti-6-4)所能取得的金属切除率mrr约40~700cm3/min(典型100~400cm3/min),仅为铝合金材的5~10%。因而,加工钛合金材时所需的主轴功率可能反而比加工铝合金材时低,尽管其SPF高于铝合金材。加工如钛合金材时主轴功率为22。5kW,而加工如铝合金材时主轴功率为70 kW比较合适的。目前,用于钛合金材零件HEM-HSM切削加工的数控MC机床,其典型主轴功率为30~60kW,并呈现出逐年提高的趋势,目前最高已超过100kW。同时,由式(3)可看出:对确定主轴功率,为取得大切削力(高转矩),则应采用较低主轴转速(较低切削速度),或说要求主轴能提供足够高的额定功率/转速比,通常要求大于0。1。这就要求作为钛合金材HEM-HSM加工的数控机床之主轴额定转矩应不低于1,000Nm数量级。主轴特性曲线趋势放大。通常,对钛合金材HEM加工时要求主轴转速低于1,000 r/min,典型为200~400 r/min,要求主轴转矩300~1,500Nm;HSM加工时典型主轴转速为3,000~8,000r/min,典型转矩为80~250Nm。高效加工(HEM)新型钛合金材(Ti-5-5-5-3)或航空高温合金材则要使用更低主轴转速,甚至低于100r/min,要求主轴能提供更大转矩,甚至超过2,000~3,000Nm。右图给出了目前用于钛合金材HEM-HSM加工时较理想的主轴功率/转矩-转速特性曲线趋势。显然,这是一种高功率高转矩宽低转速调控的主轴特性曲线,和用于铝合金材HEM-HSM加工的高功率高转速宽转速调控的主轴特性曲线有明显不同。正因为这种明显差别,有人形象地将铝合金材HEM-HSM加工机床比喻为F1赛车,而将钛合金材HEM-HSM加工机床比喻为重型推土机。

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