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TA15、TB6鈦合金切削加工用量和刀具的選擇
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-03-27
提出的TA15、TB6鈦合金切削加工用量及刀具的選擇方法，在TA15、TB6鈦合金零件研制過程中得到了驗證，為今后進(jìn)一步開展其他鈦合金切削加工的研究提供了參考與借鑒。
TA15、TB6兩種鈦合金材料具有重量輕、強度高、耐熱、耐腐蝕、疲勞性能好等一系列優(yōu)良的力學(xué)、物理性能，成為航空航天、核能、船舶等領(lǐng)域理想的結(jié)構(gòu)材料之一。但由于該材料價格昂貴，難加工，尤其是銑削加工制造周期長、成本高，制約了它的應(yīng)用。而新一代航空產(chǎn)品需要具備更優(yōu)異的性能新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝被廣泛應(yīng)用。同時，為了競爭的需要，研制周期短和制造成本低是取勝的關(guān)鍵，因此，開展對TA15、TB6兩種鈦合金材料切削加工的研究是必要的，特別是銑削高效加工的探索尤其顯得緊迫和重要。
TA15、TB6鈦合金材料主要特征
TA15 a鈦合金是a相固熔體組成的單相合金。該合金室溫強度在930MPa以上，耐熱性高于純鈦，組織穩(wěn)定，抗氧化能力強，500～600 ℃下仍保持其強度，抗蠕變能力強，但不能進(jìn)行熱處理強化。
TB6 b鈦合金是b相固熔體組成的單相合金。該合金室溫強度在1105MPa 以上，但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。
TA15、TB6鈦合金的切削加工工藝特性
·摩擦系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)低，刀尖切削溫度高。鈦合金熱導(dǎo)率僅為鋼的1/4 、鋁的1/14 、銅的1/25 , 因而散熱慢，不利于熱平衡。切削時產(chǎn)生的切削熱都集中在刀尖上，使刀尖
·溫度很高，易使刀尖很快熔化或粘結(jié)磨損而變鈍。
·彈性模量小。鈦合金的彈性模量只有30CrMnSi的56% ，這說明零件的剛性差，切削時易產(chǎn)生彈性變形和振動，不僅影響零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，而且還影響刀具的使用壽命；同時造成已加工面的彈性恢復(fù)較大，刀具后面摩擦增加導(dǎo)致刀具過快磨損。
·化學(xué)活性大。在300℃ 以上時有強烈的吸氫、氧、氮的特性，造成加工表面易產(chǎn)生脆硬的化合物，切屑形成短碎片狀，使刀具極易磨損。
·鈦合金化學(xué)親和力較強，極易與其他金屬親和結(jié)合。在加工中切屑與刀具的粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，使刀具的粘結(jié)和擴(kuò)散磨損加大。
TA15、TB6鈦合金零件切削用量和刀具參數(shù)的選擇
1) 主要加工方法
鈦合金零件的加工余量比較大，有的部位很薄(2～3mm) ，主要配合表面的尺寸精度、形位公差又較嚴(yán)，因此每項結(jié)構(gòu)件都必須按粗加工→半精加工→精加工的順序分階段安排工序。主要表面分階段反復(fù)加工，減少表面殘余應(yīng)力，防止變形，最后達(dá)到設(shè)計圖的要求。其主要的加工方法有銑削、車削、磨削、鉆削、鉸削、攻絲等。
2) 銑削用量及刀具的選擇
鈦合金結(jié)構(gòu)件中大量應(yīng)用銑削加工，如零件內(nèi)外型面。
刀具應(yīng)選擇具有高硬度、高抗彎強度和韌性、耐磨性好、熱硬性好、工藝性好、散熱性好的材料，主要為高速鋼W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬質(zhì)合金YG8、K3O、Y330。
刀具幾何參數(shù)應(yīng)以保證刀具強度高、剛性好、鋒利為原則，細(xì)長比不能過大，并分粗、精加工兩種，加工時最好采用順銑。銑削刀具參數(shù)見表1，常規(guī)加工銑削用量見表2。
表2 常規(guī)加工銑削用量
在上述常規(guī)加工的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高銑削加工效率，我們在強力銑加工中心機床上進(jìn)行了高效銑削試驗，獲得了較理想的切削用量、刀具和切削液，銑削用量數(shù)據(jù)見表3。
通過高效銑削與常規(guī)對比可以看出，高效銑削加工比常規(guī)加工效率提高了2～4倍，零件表面質(zhì)量也得到較大的提高，加工周期大大縮短，制造成本相應(yīng)降低。
3) 車削用量及刀具的選擇
在刀具、切削用量、切削液選擇合理的情況下，鈦合金車削并不困難，與加工合金鋼接近。但車削鈦合金表面氧化皮較為困難，一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄層氧化皮，然后車削剩余的氧化皮，車削時切削深度應(yīng)超過氧化皮深度1～5倍，走刀量可加大，但切削速度應(yīng)降低。
刀具材料應(yīng)選擇YG類硬質(zhì)合金材料。
刀具幾何參數(shù)選擇：前角g0=4°～8°，后角a0=12°～18°，主偏角?45°～75°，刃傾角l=0°，刀尖圓弧半徑r=0.5～1.5mm 。
切削用量的選擇：主軸轉(zhuǎn)速n≥23Or/min，進(jìn)給量f ≥0.10～0.15mm/r ，切削深度ap=1.5～2.0mm 。
車削時必須注入充足的水溶性油質(zhì)切削液來降低刀具和工件的溫度，提高刀具的耐用度。
4) 磨削用量及刀具的選擇
磨削加工可獲得較高精度，但由于鈦合金的特有性質(zhì)決定了鈦合金磨削非常困難。磨削時砂輪磨損嚴(yán)重，容易變鈍，磨削比也較低；同時易在表面產(chǎn)生有害的拉應(yīng)力及嚴(yán)重的表面燒傷現(xiàn)象，因此應(yīng)盡量避免磨削加工，以精銑代替。
磨削材料選擇：磨削鈦合金選用綠碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)兩種磨料。如出現(xiàn)磨削燒傷趨勢，應(yīng)使用人造金剛石或立方氮化硼砂輪，其效果好，但價格昂貴。砂輪硬度選擇較軟砂輪R3、ZR1、ZR2，粒度選擇46、60為佳，選A類結(jié)合劑。
磨削用量選擇見表4。
鈦合金零件在磨削過程中必須充分冷卻，否則零件會變色甚至燒傷。磨削液除具有冷卻、潤滑和沖洗作用外，更重要的還在于能有效地抑制鈦與磨料的粘附和化學(xué)反應(yīng)。
5) 鉆削用量及鉆頭的選用
鈦合金鉆削材料應(yīng)選擇具有足夠的硬度、強度、韌性、耐磨性及與鈦合金親合能力低的材料，主要為W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al、W12Cr4V4Mo、W2Mo9Cr4VCo5和YG8、K30等。
鉆頭的幾何形狀，應(yīng)注意：
·適當(dāng)增大鉆頭頂角，頂角范圍由118°～120°增加到135 °～140°，其目的是增強切削部分并使切削厚度增加，改善鉆削效果。
·選擇合適的螺旋角β，β角增加，前角也增加，切削輕快，易于排屑，扭矩和軸向力也小，見表5。
·增大鉆心厚度，以提高鉆頭強度。鉆心厚度一般為：K=(0.45～0.32)D，D為鉆頭直徑。
·增大鉆頭外緣處后角，可以使橫刃鋒利，改善切削性能，特別對鉆心處的鉆削加工有明顯改善，外緣處后角選擇見表6 。
·加工成倒錐K，減小棱帶同孔壁摩擦，使鉆頭切削時扭矩減小，提高效率，倒錐度見表7。
鉆削用量見表8 。
表8 鉆頭直徑D與切削用量的關(guān)系
鈦合金進(jìn)行鉆削和攻絲加工時最好不用含氯的冷卻液，避免產(chǎn)生有毒物質(zhì)和引起氫脆。鉆削淺孔時，可用電解切削液；鉆削深孔時，可用N32機械油加煤油，也可用硫化切削。
6) 鉸削用量及刀具的選用
鈦合金鉸孔是最后一道精加工工序，不僅要考慮生產(chǎn)率的問題，更重要的是要保證孔的加工質(zhì)量(精度和表面粗糙度)。為此必須保證刀具質(zhì)量，合理選擇切削用量，注意鉸刀與鉆鉸模的協(xié)調(diào)和正確的操作技術(shù)。通過鉆孔→擴(kuò)孔(粗鉸)→精鉸的加工方法，一般都能滿足產(chǎn)品零件規(guī)定的要求。
刀具材料一般選用M42高速鋼或硬質(zhì)合金K30。刀具的幾何參數(shù)為：前角g0=3°～7°，后角a0=12°～18°，主偏角?=5°～18°，刃傾角l=0°。校準(zhǔn)部分刃帶寬度b=0.05～0.15mm ，過寬容易同鈦合金加工表面粘結(jié)，過窄容易在鉸削時產(chǎn)生振動。鉸刀齒數(shù)Z=4～8(鉸刀直徑為?10～20mm)。我們加工的肋和接頭，因加工的兩孔跨度較長，同軸度要求較高，為此專門設(shè)計了加長鉆頭和鉸刀。
切削用量的選擇見表9。
TA15、TB6鈦合金材料主要特征
TA15 a鈦合金是a相固熔體組成的單相合金。該合金室溫強度在930MPa以上，耐熱性高于純鈦，組織穩(wěn)定，抗氧化能力強，500～600 ℃下仍保持其強度，抗蠕變能力強，但不能進(jìn)行熱處理強化。
TB6 b鈦合金是b相固熔體組成的單相合金。該合金室溫強度在1105MPa 以上，但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。
TA15、TB6鈦合金的切削加工工藝特性
·摩擦系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)低，刀尖切削溫度高。鈦合金熱導(dǎo)率僅為鋼的1/4 、鋁的1/14 、銅的1/25 , 因而散熱慢，不利于熱平衡。切削時產(chǎn)生的切削熱都集中在刀尖上，使刀尖
·溫度很高，易使刀尖很快熔化或粘結(jié)磨損而變鈍。
·彈性模量小。鈦合金的彈性模量只有30CrMnSi的56% ，這說明零件的剛性差，切削時易產(chǎn)生彈性變形和振動，不僅影響零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，而且還影響刀具的使用壽命；同時造成已加工面的彈性恢復(fù)較大，刀具后面摩擦增加導(dǎo)致刀具過快磨損。
·化學(xué)活性大。在300℃ 以上時有強烈的吸氫、氧、氮的特性，造成加工表面易產(chǎn)生脆硬的化合物，切屑形成短碎片狀，使刀具極易磨損。
·鈦合金化學(xué)親和力較強，極易與其他金屬親和結(jié)合。在加工中切屑與刀具的粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，使刀具的粘結(jié)和擴(kuò)散磨損加大。
TA15、TB6鈦合金零件切削用量和刀具參數(shù)的選擇
1) 主要加工方法
鈦合金零件的加工余量比較大，有的部位很薄(2～3mm) ，主要配合表面的尺寸精度、形位公差又較嚴(yán)，因此每項結(jié)構(gòu)件都必須按粗加工→半精加工→精加工的順序分階段安排工序。主要表面分階段反復(fù)加工，減少表面殘余應(yīng)力，防止變形，最后達(dá)到設(shè)計圖的要求。其主要的加工方法有銑削、車削、磨削、鉆削、鉸削、攻絲等。
2) 銑削用量及刀具的選擇
鈦合金結(jié)構(gòu)件中大量應(yīng)用銑削加工，如零件內(nèi)外型面。
刀具應(yīng)選擇具有高硬度、高抗彎強度和韌性、耐磨性好、熱硬性好、工藝性好、散熱性好的材料，主要為高速鋼W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬質(zhì)合金YG8、K3O、Y330。
刀具幾何參數(shù)應(yīng)以保證刀具強度高、剛性好、鋒利為原則，細(xì)長比不能過大，并分粗、精加工兩種，加工時最好采用順銑。銑削刀具參數(shù)見表1，常規(guī)加工銑削用量見表2。
表1 銑削刀具參數(shù)
| 刀具 | 前角g0 (°) |
后角a0 (°) |
螺旋角b (°) |
刀尖 | 齒背 | 備注 | |
| 立銑刀 | 粗 | O～4 | 12～15 | 30～45 | 按需 | R形 | b大：切削平穩(wěn) |
| 精 | 4～8 | 15～20 | 30～45 | 按需 | R形 | a0大：切削力小，機床震動小 | |
| 三面刃銑刀 | 3～10 | 12～15 | - | 按需 | - | - | |
| 端銑刀 | 0～5 | 12～15 | - | - | - | 主偏角?45°～75° | |
表2 常規(guī)加工銑削用量
| 刀具材料 | 立銑刀直徑d (mm) |
切削速度V (m/min) |
進(jìn)給量f (mm/min) |
切削深度ap (mm) |
切削寬度ac (mm) |
切削刃總長l (mm) |
使用機床 |
| K30 | ≤25 | 25～35 | 50～100 | 0.3～0.5 | 1.5 | 50～150 | 數(shù)控加工中心 |
| K30 | >25 | 25～35 | 100～150 | 0.3～0.5 | 2.5 | 50～150 | 數(shù)控加工中心 |
表3 高效加工銑削用量
| 刀具材料 | 立銑刀直徑d (mm) |
切削速度V (m/min) |
進(jìn)給量f (mm/min) |
切削深度ap (mm) |
切削寬度ac (mm) |
切削刃總長l (mm) |
使用機床 |
| K30 | ≤25 | 40～70 | 200～300 | 0.3～0.8 | 1.5～5 | 30～40 | 強力銑加工中心 |
| K30 | >25 | 40～120 | 300～400 | 0.3～0.8 | 2.5～8 | 30～60 | 強力銑加工中心 |
3) 車削用量及刀具的選擇
在刀具、切削用量、切削液選擇合理的情況下，鈦合金車削并不困難，與加工合金鋼接近。但車削鈦合金表面氧化皮較為困難，一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄層氧化皮，然后車削剩余的氧化皮，車削時切削深度應(yīng)超過氧化皮深度1～5倍，走刀量可加大，但切削速度應(yīng)降低。
刀具材料應(yīng)選擇YG類硬質(zhì)合金材料。
刀具幾何參數(shù)選擇：前角g0=4°～8°，后角a0=12°～18°，主偏角?45°～75°，刃傾角l=0°，刀尖圓弧半徑r=0.5～1.5mm 。
切削用量的選擇：主軸轉(zhuǎn)速n≥23Or/min，進(jìn)給量f ≥0.10～0.15mm/r ，切削深度ap=1.5～2.0mm 。
車削時必須注入充足的水溶性油質(zhì)切削液來降低刀具和工件的溫度，提高刀具的耐用度。
4) 磨削用量及刀具的選擇
磨削加工可獲得較高精度，但由于鈦合金的特有性質(zhì)決定了鈦合金磨削非常困難。磨削時砂輪磨損嚴(yán)重，容易變鈍，磨削比也較低；同時易在表面產(chǎn)生有害的拉應(yīng)力及嚴(yán)重的表面燒傷現(xiàn)象，因此應(yīng)盡量避免磨削加工，以精銑代替。
磨削材料選擇：磨削鈦合金選用綠碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)兩種磨料。如出現(xiàn)磨削燒傷趨勢，應(yīng)使用人造金剛石或立方氮化硼砂輪，其效果好，但價格昂貴。砂輪硬度選擇較軟砂輪R3、ZR1、ZR2，粒度選擇46、60為佳，選A類結(jié)合劑。
磨削用量選擇見表4。
表4 磨削用量
| 磨削方法 | 砂輪速度v (m/s) |
工作臺速度V1 (m/min) |
工件速度V2 (m/min) |
磨削深度ap (mm) |
橫向進(jìn)給①fa (mm/st) |
縱向進(jìn)給②fb (mm/r) (砂輪寬度B) |
|
| 平面磨 | 粗 | 15～18 | 10～20 | - | 0.025～0.035 | 0.5～4.0 | - |
| 精 | 15～18 | 6～12 | - | 0.010(最大) | 0.5～4.0 | - | |
| 外圓磨 | 粗 | 15～18 | - | 15～30 | 0.025～O.035 | - | 1/5B |
| 精 | 15～18 | - | 15～30 | 0.010(最大) | - | 1/10B | |
| 注：①橫向進(jìn)給fa(mm/st)指工作臺每單行程砂輪對工件橫向移動量；②縱向進(jìn)給fb(mm/r)指工件每旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，砂輪對工件縱向移動量。 | |||||||
5) 鉆削用量及鉆頭的選用
鈦合金鉆削材料應(yīng)選擇具有足夠的硬度、強度、韌性、耐磨性及與鈦合金親合能力低的材料，主要為W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al、W12Cr4V4Mo、W2Mo9Cr4VCo5和YG8、K30等。
鉆頭的幾何形狀，應(yīng)注意：
·適當(dāng)增大鉆頭頂角，頂角范圍由118°～120°增加到135 °～140°，其目的是增強切削部分并使切削厚度增加，改善鉆削效果。
·選擇合適的螺旋角β，β角增加，前角也增加，切削輕快，易于排屑，扭矩和軸向力也小，見表5。
表5 不同規(guī)格鉆頭的螺旋角
| 鉆頭直徑D：(mm) | 2～6 | 6～18 | 18～50 |
| 螺旋角b：(°) | 43～45 | 40～42 | 35～40 |
·增大鉆頭外緣處后角，可以使橫刃鋒利，改善切削性能，特別對鉆心處的鉆削加工有明顯改善，外緣處后角選擇見表6 。
表6 鉆頭直徑與外緣處后角af的關(guān)系
| 鉆頭直徑D：(mm) | 2～6 | 6～18 | 18～50 |
| 外緣處后角af：(°) | 17～20 | 15～18 | 12～15 |
鉆削用量見表8 。
表7 鉆頭直徑D與倒錐度的關(guān)系
| 鉆頭直徑D：(mm) | 2～6 | 6～18 | 18～50 |
| 倒錐度：(mm/100mm) | 0.03～0.05 | 0.04～0.08 | 0.05～0.12 |
表8 鉆頭直徑D與切削用量的關(guān)系
| 鉆頭直徑D：(mm) | 主軸轉(zhuǎn)速(r/min) | 進(jìn)給量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 |
6) 鉸削用量及刀具的選用
鈦合金鉸孔是最后一道精加工工序，不僅要考慮生產(chǎn)率的問題，更重要的是要保證孔的加工質(zhì)量(精度和表面粗糙度)。為此必須保證刀具質(zhì)量，合理選擇切削用量，注意鉸刀與鉆鉸模的協(xié)調(diào)和正確的操作技術(shù)。通過鉆孔→擴(kuò)孔(粗鉸)→精鉸的加工方法，一般都能滿足產(chǎn)品零件規(guī)定的要求。
刀具材料一般選用M42高速鋼或硬質(zhì)合金K30。刀具的幾何參數(shù)為：前角g0=3°～7°，后角a0=12°～18°，主偏角?=5°～18°，刃傾角l=0°。校準(zhǔn)部分刃帶寬度b=0.05～0.15mm ，過寬容易同鈦合金加工表面粘結(jié)，過窄容易在鉸削時產(chǎn)生振動。鉸刀齒數(shù)Z=4～8(鉸刀直徑為?10～20mm)。我們加工的肋和接頭，因加工的兩孔跨度較長，同軸度要求較高，為此專門設(shè)計了加長鉆頭和鉸刀。
切削用量的選擇見表9。
表9 鉸削用量
| 刀具材料 | 鉸刀直徑D (mm) |
主軸速度n (r/min) |
每齒進(jìn)給量ar (mm) |
鉸削余量(單邊)ap (mm) |
| M42 | ≤10 | 250～120 | 0.02～0.04 | 粗鉸：0.10～0.15 |
| >10～20 | 120～80 | 0.025～0.050 | 精鉸：0.05～0.10 | |
| K30 | ≤10 | 800～400 | 0.02～0.04 | 粗鉸：0.1～0.2 |
| >10～20 | 400～200 | 0.025～0.050 | 精鉸：0.05～0.10 |
鉸削時應(yīng)不斷地注人冷卻潤滑液以獲得較好的表面粗糙度，同時應(yīng)勤排屑，及時清除鉸刀刃上的切屑末，鉸削時要勻速地進(jìn)退刀。
7) 攻絲用量及刀具參數(shù)的選
鈦合金攻絲時會產(chǎn)生很大的擠壓變形，作用在螺紋齒側(cè)的摩擦力加大，這樣不但使加工出來的螺紋表面粗糙度不好，而且絲錐容易折斷。為了改變這種情況，可以采用跳牙絲錐或改進(jìn)絲錐結(jié)構(gòu)(加大校正段刀齒的后角或加大倒錐度)的方法，以減少切削扭矩和摩擦扭矩，增大容屑空間，改善攻絲的切削性能。另外，鈦合金攻絲前的底孔直徑一般應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)值，而且底孔的表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra≤3.2μm 。
刀具材料和幾何參數(shù)選橄絲錐材料選用M2Al、M42高速鋼。絲錐幾何參數(shù)為：前角g0=5°～8°，后角a0=8°～10°，絲錐校堆段齒背圓柱刃帶b1=0.1～0.2mm 。主偏角?6°～10°(通孔)、?=15°～20°(不通孔)；頭錐?=2°～3°，二錐?=4°～5°。
切削用量選擇：攻絲的切削用量也只有速度(轉(zhuǎn)速)一項可選，鈦合金攻絲速度v為3～6m/min。攻絲時應(yīng)及時清除絲錐刃部毛刺、切屑末，以免損傷螺紋；攻絲時要勤退刀。
攻絲時要加適量的冷卻潤滑液，建議使用蓖麻油或機油，以保證螺紋粗糙度要求。
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