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鈦合金銑削加工 注意事項及選擇銑刀、銑削用量、銑削方式、切削液

文章出處:康鼎金屬責任編輯:yaxun88作者:鈦制品人氣: 發表時間:2018-07-02 08:30 字體大小:【
根據TC4鈦合金的難切削加工性,從銑削加工時銑刀、銑削用量、銑削方式、切削液等的選取方面,介紹基本的銑削加工工藝和注意事項。
圓刀片銑刀適用于銑削鈦金屬,因為它們的主偏角可適當變化。只要為這些銑刀配備專用刀片并應用正確的切削參數,一般情況下就能提高穩定性和總體性能。每齒進給量應設定最小值,這一點至關重要。
---鈦合金銑削需要合適條件  
與其他大多數金屬材料加工相比,鈦加工不僅要求更高,而且限制更多。
這是因為鈦合金所具有的冶金特性和材料屬性可能會對切削作用和材料本身產生嚴重影響。但是,如果選擇適當的刀具并正確加以使用,并且按照鈦加工要求將機床和配置優化到最佳狀態,那么就完全可以滿足這些要求,并獲得令人滿意的高性能和完美結果。傳統鈦金屬加工過程中碰到的許多問題并非不可避免,只要克服鈦屬性對加工過程的影響,就能取得成功。  

鈦合金有如下切削特點:
(1)變形系數?。哼@是鈦合金切削加工的顯著特點,變形系數小于或接近于1。切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大,加速刀具磨損。
(2)切削溫度高:由于鈦合金的導熱系數很小(只相當于45號鋼的1/5~1/7),切屑與前刀面的接觸長度極短,切削時產生的熱不易傳出,集中在切削區和切削刃附近的較小范圍內,切削溫度很高。在相同的切削條件下,切削溫度可比切削45號鋼時高出一倍以上。
(3)單位面積上的切削力大:主切削力比切鋼時約小20%,由于切屑與前刀面的接觸長度極短,單位接觸面積上的切削力大大增加,容易造成崩刃。同時,由于鈦合金的彈性模量小,加工時在徑向力作用下容易產生彎曲變形,引起振動,加大刀具磨損并影響零件的精度。因此,要求工藝系統應具有較好的剛性。
(4)冷硬現象嚴重:由于鈦的化學活性大,在高的切削溫度下,很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮;同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。冷硬現象不僅會降低零件的疲勞強度,而且能加劇刀具磨損,是切削鈦合金時的一個很重要特點。
(5)刀具易磨損:毛坯經過沖壓、鍛造、熱軋等方法加工后,形成硬而脆的不均勻外皮,極易造成崩刃現象,使得切除硬皮成為鈦合金加工中最困難的工序。另外,由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強,在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下,刀具很容易產生粘結磨損。車削鈦合金時,有時前刀面的磨損甚至比后刀面更為嚴重;進給量f<0.1mm/r時,磨損主要發生在后刀面上;當f>0.2mm/r時,前刀面將出現磨損;用硬質合金刀具精車和半精車時,后刀面的磨損以VBmax<0.4mm較合適。
在銑削加工中,由于鈦合金材料的導熱系數低,而且切屑與前刀面的接觸長度極短,切削時產生的熱不易傳出,集中在切削變形區和切削刃附近的較小范圍內,加工時切削刃刃口處會產生極高的切削溫度,將大大縮短刀具壽命。對于鈦合金Ti6Al4V來說,在刀具強度和機床功率允許的條件下,切削溫度的高低是影響刀具壽命的關鍵因素,而并非切削力的大小。

  【關鍵詞】TC4鈦合金 銑刀 銑削用量 氧化層
  Ti6Al4V(以下簡稱TC4)是目前用量最大的鈦合金材料,其因具有密度小、強度高、比強度大、綜合力學性能和工藝性能(熱變形性、焊接性、耐蝕性)良好等一系列優點,而在航空航天、船舶、石化、醫藥衛生等領域得到廣泛和成功應用。
  隨著相關工業的飛速發展,TC4鈦合金的使用量與日俱增,其在機械加工行業的切削加工也日漸成熟。鈦合金銑削作為切削加工量中占比最大的加工方式,加之加工時易出現銑刀崩刃,耐用度底等問題,使得TC4的銑削加工受到普遍關注。
  二、TC4鈦合金的切削加工性
  TC4鈦合金屬于(α+β)型鈦合金,是典型的難加工材料之一,其切削加工性僅為45鋼的1/5~2/5,介于不銹鋼和高溫合金之間。主要是因為:
 ?。ㄒ唬㏕C4的導熱率為鐵的1/4、鋁的1/16,比不銹鋼和高溫合金的導熱率還要低,使得加工過程中產生的大量切削熱大部分殘留在刀具內,造成切削溫度高,刀具迅速磨損。
 ?。ǘ┡c45鋼相比,TC4的切削力是其2/3~3/4,但切屑與前刀面的接觸面積卻只有其1/2~2/3,所以切削刃承受的應力是鋼的1.3~1.5倍,刀尖或切削刃更容易磨損或損傷。
 ?。ㄈ┫嗤瑮l件下,TC4材料與刀具材料的摩擦系數大于碳鋼,切屑沿前刀面流出的摩擦速度高,導致摩擦功大,摩擦界面溫度高,刀具易磨損。
 ?。ㄋ模└邷貢r,鈦合金能與空氣中的氫、氧、氮起化學反應,形成硬化層,造成工件塑性降低,切屑與前刀面接觸面積減小,加速刀具磨損。
 ?。ㄎ澹㏕C4的彈性模量約為鋼的1/2,小彈性模量和大屈強比使切削加工時工件已加工面產生較大回彈和變形,刀具后角磨損,與零件摩擦加劇。
  三、TC4鈦合金的銑削加工
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  銑削TC4鈦合金用銑刀常選高性能高速鋼和硬質合金兩種材質。高速鋼銑刀可選鋁高速鋼W6Mo5Cr4V2Al和鈷高速鋼W2Mo9Cr4Co8兩種牌號。硬質合金銑刀可選YG10H和YG8兩種牌號。鈷高速鋼因含鈷而切削性能更好,當切削用量大時考慮使用。YG10H是亞細顆粒合金,硬度及抗彎強度均優于YG8,且耐磨性能、抗沖擊和抗振性能好,適宜銑削加工TC4材料。
  銑削TC4用的銑刀,前角應比通用標準銑刀小、后角比它大,盡量采用鋒利的尖齒銑刀。同時,考慮過渡刃和刀尖圓弧對銑刀耐用度的影響、考慮銑刀直徑、銑削刃長度對本身剛性的影響,盡量采用銑刀工作部分短、具有過渡刃的大直徑銑刀。
 ?。ǘ┿娤饔昧?/strong>
  為提高生產效率,銑削TC4鈦合金時,也應盡量增大銑削深度、銑削寬度、銑刀齒數,適當降低銑削速度。立銑TC4時,可按下表(表1)選定銑削用量,再根據表面粗糙度要求、切深等條件加以修正,也可查資料按公式計算銑削速度。
 ?。ㄈ┢渌?br />   1.銑削方式
  銑削TC4鈦合金時,銑刀因斷續切削、切屑與刀齒粘接而產生崩刃,刀具耐用度較低。銑削時選用順銑的方式,可以減輕切屑粘刀,避免加工硬化,改善銑刀磨損,同時降低銑削功率,方便切屑清理。
  銑刀直徑D
  
 TC4鈦合金立銑時常用速度和進給量
  2.切削液的使用
  銑削TC4鈦合金時,可通過使用切削液提高銑刀耐用度,尤其是使用高速鋼刀具時。用硬質合金銑刀銑削時,也可不用切削液,進行干切削。
  3.鍛造氧化層的銑削
  TC4鈦合金鍛件的氧化層本身硬度大,且表面凹凸不平,銑削困難。氧化層雖可通過酸洗去掉,但會造成脆氫,需真空退火除氫,還是建議用切削的辦法去除。
  銑削TC4氧化皮時,切削深度,切削深度應大于氧化層厚度,每齒進給量af一般在0.1mm左右,銑削速度應降至無氧化層時的50%左右。也可參按下表(表2)推薦的切削用量選取。
  4.銑刀損傷對策
  銑刀的損傷是指嚴重磨損、崩刃、斷齒等。銑刀出現損傷時,可以通過改變銑刀幾何參數(前角、后角)、切削用量、刀具材料、刀尖圓弧、刀具齒數、銑削方式,及切削液等對策解決。
  刀具材料 硬質合金 高速鋼
  銑削速度v
  m/min 15~20 4~8
  每齒進給量af /mm 0.06~0.1 0.1~0.13
  軸向切深ap
  /mm 大于氧化層厚度
  徑向切深ae
  /mm ≤0.6D 大于氧化層厚度
  表2 TC4鈦合金鍛造氧化層的銑削用量

  TC4鈦合金的不良切削加工性給其銑削加工帶來一系列刀具和精度問題。但參照技術資料或根據經驗積累,通過選擇合適的銑刀材質和幾何參數,調整銑削用量和銑削方式,改善切削條件,并針對性分析和處理銑刀損傷,TC4鈦合金的銑削難題便可迎刃而解。
鈦合金切削

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