鈦合金薄壁件的車削加工

　　某航空發(fā)動機(jī)易損件，最小壁厚為2mm，總長400mm，是一個典型長薄壁件。技術(shù)要求較高：

　　1、孔徑公差為0.046，

　　2、外圓公差為0.03，

　　3、表面粗糙度Ra為1.6。

　　為保證壁厚差，孔與外圓必須同軸，加工難度較大。材料為BT20，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度sb=90～110kg/mm2，比TC4難加工。磨削鈦合金易阻塞砂輪，燒傷已加工表面，因此只能采用車削，以車代磨。

　　一、切削鈦合金選用的刀具材料牌號

　　二、刀具材料及幾何參數(shù)的選擇

　　鈦合金導(dǎo)熱性能很差，為45號鋼的1/6～1/7。選擇刀具材料時，要考慮刀具材料的導(dǎo)熱性能，YG類優(yōu)于YT類。切削鈦合金產(chǎn)生單元切屑，變形系數(shù)近似為1，刀屑接觸長度很短，切削力集中于刃口附近，單位切削力大，易崩刃。要求刀具材料韌性要好，sbb>150kg/mm2，鈦合金化學(xué)性能活波，易與空氣中的氧和氮產(chǎn)生硬脆化合物，加快刀具磨損;鈦與刀具中的元素易親合，加工鈦合金使用的刀具材料要少鈦或無鈦元素。優(yōu)選YG類硬質(zhì)合金，不是用YT類硬質(zhì)合金。切削鈦合金使用的刀具材料件見表1。

　　鈦合金彈性模量小，為45鋼的1/2，加工變形大。刀具后角要大些，取a0=15°～18°，減少加工表面與后刀面間的摩擦。前角也要選大些g0=10°，刀具鋒利，減小加工變形，降低加工硬化，提高已加工表面質(zhì)量。主偏角kr=90°降低徑向力，防止振動。刀尖圓弧半徑?jīng)Q定刀尖強(qiáng)度、散熱及磨損，不易過大，re=1～2mm合適。切削鈦合金，刀具必須鋒利，鈍刀不能進(jìn)行切削。刀具鈍圓半徑必須小，也就是選用細(xì)晶粒材料，才能使鈍圓半徑降低。同時，使刀具材料硬度提高，而韌性不下降。提高刀具刃磨質(zhì)量，用金剛石、立方氮化硼砂輪磨刀。前后刀面粗糙度Ra≤0.1µm，降低切屑與前刀面。工件與后刀面間的摩擦。刃口要平直，無鋸齒，減輕崩刃磨損。

　　三、切削用量

　　粗車鈦合金目的是去除大的余量，應(yīng)保證較大的刀具耐用度。VB=0.4mm，切削速度不高，一般V≤35m/min，刀具耐用度T=60min，切削刃度ap≤4mm，走刀量f≤0.24mm/r，且加大流量溶液冷卻。精車鈦合金目的是保證尺寸精度和表面質(zhì)量，一般ap≤1mm，磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB=0.2mm，盡量采用高的切削速度和必要的刀具耐用度，切削速度35m/min≤V≤140m/min，刀具耐用度T=30min。用機(jī)油冷卻潤滑，降低刀屑間的摩擦系數(shù)，提高已加工表面質(zhì)量。車削用量如表所示。

　　四、刀具磨損原因及刀具耐用度

　　加工鈦合金，刀具磨損發(fā)生在后刀面和刀尖處。鈦合金彈性模量小，切削時回彈大，后刀面與加工表面接觸面積大，加速了摩擦。顯微鏡下可看到犁溝。刀尖處散熱條件差，溫度較高，磨損嚴(yán)重。尤其是精車時，后刀面磨損量沒有達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時，因刀尖磨損過快，使刀具喪失切削性能。前刀面看不到明顯磨損痕跡，原因是刀屑接觸長度短，磨損的主要形式是崩刃和微崩刃。顯微鏡下可看到鋸齒形刀刃。加工鈦合金粘刀現(xiàn)象十分嚴(yán)重。無論是高速切削還是低速切削都有粘刀問題。干切削更為明顯。

　　粘結(jié)磨損是加工鈦合金的主要磨損原因。當(dāng)切削速度較高時，切削溫度達(dá)600℃以上時，擴(kuò)散磨損占的比例較大。空氣中的氧氮與鈦合金反應(yīng)生成硬脆化合物加劇了刀具的磨料磨損。因此加工鈦合金刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)定得較低，刀具耐用度較低，而切削速度還是比較低的。

刀具耐用度與切削速度VB(mm)

　　五、零件加工工藝及表面質(zhì)量

　　使用的車床功率要大，主軸回轉(zhuǎn)精度要高，進(jìn)給機(jī)構(gòu)無爬行。刀桿剛度足夠。零件裝夾要牢固。例如：車Ø74外圓時，中部用中心架支撐，提高了裝夾剛度，降低了長徑比。加工順序?yàn)椋合燃庸?Oslash;65里孔，后加工Ø74外圓及空刀處。里孔可用單刃鏜刀切削，讓刀量大。改用浮動鏜刀效果較好，里孔達(dá)到尺寸精度后，用卡盤與頂尖裝夾車外圓，孔中放置減震材料。刀具必須鋒利。一旦振動，立即換刀車去振源。用塑料脹胎夾具加工外圓效果較好。鏜孔速度不易過高，V=20m/min較好�？刂苹貜椓�。最小切削深度0.05mm。當(dāng)ap太小時不能形成連續(xù)切屑，容易產(chǎn)生振動。夾持剛度較好時，車外圓ap=0.01可行成連續(xù)切屑。切削鈦合金只要不振動，表面粗糙度Ra1.6µm是可以達(dá)到的。刀具鋒利，表面質(zhì)量也較好。

　　使用鋒利的硬質(zhì)合金車刀切削鈦合金，加大流量潤滑液冷卻潤滑。切削速度V≥100m/min時，車外圓表面粗糙度可達(dá)Ra0.8µm，已加工表面硬化較輕，殘余應(yīng)力較小。比較高的尺寸輕度容易獲得。ap=0.005mm時，可形成連續(xù)柔軟的切屑，達(dá)到磨削的尺寸精度和粗糙度。鏜孔有一定的難度，主要原因是：機(jī)床、夾具、工件和刀具組成的工藝系統(tǒng)剛度不足。一旦振動，孔壁質(zhì)量立即下降。粗糙度Ra1.6µm還是容易達(dá)到的。

　　鈦合金薄壁件車削加工比銑削容易些。車削為連續(xù)切削，沒有沖擊。切屑為單元切屑，不存在斷屑難的問題。鈦合金彈性模量小，屈強(qiáng)比大;切削時彈讓大，需變形能大。選擇刀具材料硬度要高，韌性要好，sbb≥200kg/mm2，且不含TiC。刃口要鋒利，后角要大，鈍圓半徑要小。避免使用鈍刀切削。鈦合金既硬又韌，導(dǎo)熱又差;粗車時，保證必要的刀具耐用度，確定切削速度;精車時，為完成以車代磨，盡量采用高速切削;可降低表面粗糙度，減輕已加工表面加工硬化和殘余應(yīng)力。提高機(jī)床、夾具、工件和刀具組成的工藝系統(tǒng)剛度，可解決鈦合金薄壁件車削加工變形問題。