2011-10-03

刀具使用钛合金切削之加工特点及刀材选用

刀具,数控铣刀,使用钛合金切削之加工特点及刀材选用

钛合金以优异的综合力学性能丶低密度以及良好的耐腐蚀性，被誉为是一种使人类走向太空时代的战略性金属材料，不仅在航空航天及军工领域得到广泛的使用，而且开始逐渐渗透到经济生活的各个方面..切削刀具产业的发展，钛合金的加工技术受到更多的关注和研究。

钛合金的分类

钛合金按照不同的方法有不同的分类，最常用的分类方法是按退火後组织特点分类，可分成α丶α+β丶β型钛合金

  • α 型钛合金密度小，有很好的热强性和热稳定性，焊接性能好，室温丶超低温和高温性能良好，但不能进行热处理强化..TiAl在600°C时，仍然有很高的强度，而且蠕变性能丶热稳定性丶疲劳性能和断裂韧性等方面都有好的表现，常用於喷气发动机涡轮盘和叶片的制造。
  • α+β型钛合金双相合金，组织稳定，韧性丶塑性和高温变形性能随着β相稳定元素的增加而提高；有较好的热压力加工性，能进行淬火时效使合金强化，热处理後的强度约比退火状态提高50％ ~100％ ；高温强度高，可在400~500°C的温度下长期工作，其热稳定性次於α 钛合金..β型钛合金中Ti-6Al-4V是钛合金中使用量最大的钛合金，在美国，其产量占钛合金产量一半以上，以其优良的综合力学性能和切削加工性大量用於航空零件制造..为钛合金航空发动机叶轮
  • β钛合金是β相固溶体组成的单相合金，室温的强度较高，冷加工和冷成型加工能力强，未热处理即具有较高的强度，淬火时效後合金强度得到进一步强化，室温强度可达1372~1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用

钛合金切削加工的特点

钛合金本身所具有的物理和化学性能给切削加工带来了困难，具体表现有以下6点。

  1. 钛合金的导热性差，是不良导热体金属材料..导热丶导温系数小，是45号钢的1/6，所以在加工时所产生的高热量不能有效扩散，同时刀具的切削刃和切屑的接触长度短，使热量大量聚集在切削刃上，温度急剧上升，导致刀刃的红硬性下降，刀刃软化，加快刀具磨损
  2. 钛合金的亲和力大..金在加工中黏刀现象严重..了刀体与工件的摩擦，摩擦导致大量的热，降低了刀具的使用寿命。
  3. 高的化学活性..工中，随着切屑温度的升高，容易与空气中的O丶N丶CO丶CO2丶H2O 等发生反应，使间隙元素O丶N的含量增加，工件的表面氧化变硬，难以加工，增大了刀具单位面积上所承受的切削力，刀尖应力变大，同时使前刀面和後刀面与工件的摩擦加剧，这将导致刀刃迅速磨损或崩刃
  4. 钛合金的变形系数不大於1..削加工中，刀- 屑接触面积小，增大了切屑和前刀面的摩擦，提高了切削温度，加快了刀具前刀面磨损。
  5. 钛合金的弹性模量小，在切削中容易产生较大变形丶回弹丶扭曲和振动，造成加工件几何形状和精度差，表面粗糙度增大，刀具磨损增加。
  6. 不同的加工方法，钛合金的加工难度不同..械加工由易到难排序为：车削丶铣削丶钻削丶磨削..钻小直径深孔更困难
刀具,数控铣刀,使用钛合金切削之加工特点及刀材选用

钛合金切削加工的刀具材料

钛合金加工的高成本是阻碍其广泛使用的主要原因，寻求一种高效率丶低成本的加工方法已成为当今钛合金研究的热点..材料的选择对於钛合金的加工有很大影响..钛合金的理想刀具材料必须同时具备较高的热硬度，良好的韧性丶耐磨性，高的导热系数和较低的化学活性，在铣削时，刀具还应具有良好的抗冲击性。

当今在生产实际中用来加工钛合金的刀具材料主要有：硬质合金丶聚晶金刚石(PCD) 丶聚晶立方氮化硼(PCBN) 等..生产实际验证，硬质合金和PCD刀具被认为是加工钛合金比较理想的刀具材料

关於刀具材料选用..

  • 硬质合金刀具

    硬质合金刀具是目前加工钛合金应用最为广泛的一种刀具..低廉的价格丶优良的导热性丶较高的硬度丶韧性和红硬性己成为国内企业加工钛合金的首选..合金按晶粒的大小可分为普通硬质合金丶细晶粒硬质合金和超细晶粒硬质合金；按化学成分可分为钨钴类（YG）丶钨钴钛类（YT）和添加稀有碳化物类（YW）..钨钴钛（YT）类刀具和钛合金有强烈的亲和力，所以目前在工业生产中获得广泛应用的仍然是钨钴类硬质合金YG8丶YG6丶YG3等..使用添加的稀有金属的细晶粒硬质合金YA6丶YD15丶YG10H丶YS2等，可提高刀具的寿命和加工效率。

    硬质合金加工钛合金速度可以达到45m/min以上，但当切削速度继续增加时，刀具和工件接触面的温度迅速升高，同时由於Co的熔点较低，在高的切削温度及元素扩散作用下，造成了刀具材料中W和Co元素的扩散和流失，降低了刀具的硬度和韧性，使硬质合金刀具发生严重的塑性变形丶粘结磨损和扩散磨损，导致刀具失效，因此，硬质合金刀具只适合切削速度小於75m/min的钛合金。

  • 聚晶金刚石（PCD）刀具
    聚晶金刚石（PCD）刀具

    聚晶金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性丶刃口锋利丶低摩擦系数丶高弹性模量丶高导热系数丶以及与非铁金属亲和力小等优点。

    金刚石刀具主要有聚晶金刚石（PCD）刀具和化学气相沉积刀具（VCD）金刚石刀具..石类刀具适用於钛合金的精加工和超精加工..石的耐热温度只有700~800°C，加工时必须进行充分的冷却和润滑..表明，在切削速度105m/min的情况下车削钛合金Ti-6A1-4V时，PCD刀具并没有发生粘结磨损，在刀具前丶後刀面也都粘有较多钛合金，这些粘着物会被切屑慢慢带走，不会图2硬质合金刀具对切削刃带来损害，因为在刀具表面会形成一层薄薄的TiC层，这种TiC层很稳定，能很大程度降低PCD刀具前丶後刀面的粘结和扩散磨损..由於PCD刀具刀尖锋利和切削温度高，在切削加工中更易发生微崩刃和石墨化引起的沟槽磨损。

  • 聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具

    PCBN刀具的硬度虽然略低於金刚石，但却远远高於其他高硬度材料，而且PCBN 刀具热稳定比金刚石高得多，可达到1200°C以上，适合高温干切削..个优点是化学惰性大，与钛合金在1200°C不起化学反应。

PCBN刀具加工钛合金与硬质合金刀具相比，有着切削速度高丶表面粗糙度低和刀具寿命长等特点，并且在高速丶低进给量丶低背吃刀量的条件下，有更长的刀具寿命和非常好的工件加工表面粗糙度，因此PCBN刀具更适合用作钛合金的精加工，但由於PCBN 刀具脆性很大，在切削加工中应重视刀具可能产生的破损和崩刃问题。

钛合金切削加工的一般原则美国丶日本丶前苏联从20世纪60年代开始，由於军事工业和飞机制造业的需要，开始对钛合金的切削加工原则进行系统的研究，并获得了大量的成果..金主要的切削原则有以下5 点。

  1. 切削速度：切削速度是影响刀刃温度的重要因素..的切削速度会导致刀刃过热丶刀刃粘结和扩散磨损严重，刀具重磨频繁，会缩短刀具寿命..会导致钛合金工件表面层开裂或氧化，影响其力学性能，所以应在保证较大的刀具耐用度的前提下，选择适当的切削速度，降低成本，保证加工质量。
  2. 进刀深度和走刀量：走刀量的变化对温度的变化不大，所以降低切削速度增大走刀量是合理的切削方式..有氧化层和皮下气孔层的情况，大的切深可以直接切到基体未氧化金属层，提高刀具的寿命。
  3. 刀具的几何角度：在切削钛合金时选择与加工方法相适应的前角和後角等几何参数并对刀尖适当的处理，会对切削效率和刀具的寿命有重要的影响..证明，当车削时为了改善散热条件和增强切削刃，前角一般取5°~9°；为了克服因回弹而造成的摩擦，刀体的後刀面一般取10°~15°；当钻孔时，缩短钻头长度丶增加钻心的厚度和导锥量，钻头的耐用度可提高好几倍。
  4. 夹具的夹紧力：钛合金易变形，夹紧力不能过大，特别在精加工工序时，可以选择一定的辅助支承。
  5. 切削液：切削液是钛合金加工中不可缺少的工艺润滑油..液不仅可以有效降低切削温度，减少刀具和切削摩擦产生的热量，还可以充当切削过程的润滑剂，减少钛合金的切屑和刀具面的黏结，提高效率丶降低成本，延长刀具的寿命..能使用含有氯或其他卤元素和含硫的切削液，这类切削液会对钛合金的力学性能产生不良影响。

结语..

综上所述，钛合金因其优良的性能在航空航天工业的使用比例逐年增加，但受切削加工成本高和加工效率低的影响，目前应用仍然受到较大限制..刀具材料的研发和加工工艺的不断完善，钛合金的加工效率会大大地提高，加工成本将会明显下降，从而在造船丶汽车制造丶化工丶电子丶海洋开发等领域拥有广阔的应用前景。

文章参考来源 - 渖阳理工大学机械工程学院
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