加工中心精加工鈦合金的工藝分析

鈦合金材料由于其密度小，比強(qiáng)度高，耐高溫，抗氧化性能好等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。但鈦合金機(jī)械加工性能差，影響了該材料的廣泛使用。

鈦合金即在工業(yè)純鈦中加入合金元素，以提高鈦的強(qiáng)度。鈦合金可分三種：a鈦合金，b鈦合金和a＋b鈦合金。a b鈦合金是由a和b雙相組成，這類合金組織穩(wěn)定，高溫變形性能、韌性、塑性較好，能進(jìn)行淬火、時(shí)效處理，使合金強(qiáng)化。鈦合金的性能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

1) 比強(qiáng)度高。鈦合金密度小(4.4kg/dm3)重量輕，但其比強(qiáng)度卻大于超高強(qiáng)度鋼。

2) 熱強(qiáng)性高。鈦合金的熱穩(wěn)定性好，在300～500℃條件下，其強(qiáng)度約比鋁合金高10倍。

3) 化學(xué)活性大。鈦可與空氣中的氧、氮、一氧化碳、水蒸氣等物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，在表面形成TiC及TiN硬化層。

導(dǎo)熱性差。鈦合金導(dǎo)熱性差，鈦合金TC4在200℃時(shí)的熱導(dǎo)率l=16.8W/m·℃，導(dǎo)熱系數(shù)是0.036卡/厘米·秒·℃。

鈦合金機(jī)加工特性分析

首先，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。因切削區(qū)散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區(qū)形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。其次，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區(qū)域內(nèi)不易散發(fā)，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發(fā)，加速刀具磨損。最后，鈦合金化學(xué)活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷、擴(kuò)散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。

鈦合金在加工中心上的銑削案例分析

零件的結(jié)構(gòu)形式，見圖1。

圖1 零件外形尺寸

該零件的特點(diǎn)是：

·形狀較復(fù)雜，精度要求高。

·加工過程中必須進(jìn)行多種工序加工。

·必須嚴(yán)格控制零件公差范圍。

·價(jià)格昂貴，加工成本高。

加工中心加工鈦合金特點(diǎn)

·加工中心可以多個(gè)零件同時(shí)加工，提高生產(chǎn)效率。

·提高零件的加工精度，產(chǎn)品一致性好。加工中心有刀具補(bǔ)償功能，可以獲得機(jī)床本身的加工精度。

·有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性。如本零件的圓弧加工、倒角和過渡圓角。

·可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能。加工中心可以進(jìn)行銑削、鉆孔、鏜孔、攻絲等一系列加工。

·可以進(jìn)行精確的成本計(jì)算，控制生產(chǎn)進(jìn)度。

·不需要專用夾具，節(jié)約大量成本經(jīng)費(fèi)，縮短生產(chǎn)周期。

·大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

·可以與UG等加工軟件進(jìn)行多軸加工。

刀具材料的選擇

刀具材料選用應(yīng)滿足下列要求：

·足夠的硬度。刀具的硬度必須要遠(yuǎn)大于鈦合金硬度。

·足夠的強(qiáng)度和韌性。由于刀具切削鈦合金時(shí)承受很大的扭矩和切削力，因此必須有足夠的強(qiáng)度和韌性。

·足夠的耐磨性。由于鈦合金韌性好，加工時(shí)切削刃要鋒利，因此刀具材料必須有足夠的抗磨損能力，這樣才能減少加工硬化。這是選擇加工鈦合金刀具最重要的參數(shù)。

·刀具材料與鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學(xué)活性高，因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴(kuò)散而成合金，造成粘刀、燒刀現(xiàn)象。

經(jīng)過對國內(nèi)常用刀具材料和國外刀具材料進(jìn)行試驗(yàn)表明，采用高鈷刀具效果理想，鈷的主要作用能加強(qiáng)二次硬化效果，提高紅硬性和熱處理后的硬度，同時(shí)具有較高的韌性、耐磨性、良好的散熱性。

銑刀的幾何參數(shù)

鈦合金的加工特性決定刀具的幾何參數(shù)與普通刀具存在著較大區(qū)別。

·螺旋角β 選擇較小的螺旋升角，排屑槽增大，排屑容易，散熱快，同時(shí)也減小切削加工過程中的切削抗力。

·前角γ 切削時(shí)刃口鋒利，切削輕快，避免鈦合金產(chǎn)生過多切削熱，從而避免產(chǎn)生二次硬化。

·后角α 減小刀刃的磨損速度，有利于散熱，耐用度也得到很大程度的提高。

切削參數(shù)選擇

鈦合金機(jī)加工應(yīng)選擇較低的切削速度，適當(dāng)大的進(jìn)給量，合理的切深和精加工量，冷卻要充分。

·切削速度Vc Vc=30～50m/min

·進(jìn)給量f 粗加工時(shí)取較大進(jìn)給量，精加工和半精加工取適中的進(jìn)給量。

·切削深度ap ap=1/3d為宜，鈦合金親合力好，排屑困難，切削深度太大，會(huì)造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現(xiàn)象。

·精加工余量αc適中 鈦合金表面硬化層約0.1~0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化層上，刀具容易磨損，應(yīng)該避免硬化層加工，但切削余量不宜過大。

冷卻液

鈦合金加工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，也能防止鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂。

選用合成水溶性乳化液，也可自配用冷卻液。

切削加工時(shí)冷卻液要保證充足，冷卻液循環(huán)速度要快，切削液流量和壓力要大，加工中心都配有專用冷卻噴嘴，只要注意調(diào)整就能達(dá)到預(yù)期的效果。

通過對鈦合金的特性分析，解決了鈦合金切削加工過程中存在的難題；通過編制正確、科學(xué)的加工工藝，可以降低成本，提高生產(chǎn)效率，得出如下結(jié)論：

·用加工中心精加工鈦合金，滿足了零件形狀復(fù)雜，高精度的要求，且可多件同時(shí)加工，提高生產(chǎn)效率。

·高鈷刀具材料是鈦合金理想的加工刀具。

·選擇合理的刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)、冷卻液，可以延長切削刀具壽命，提高生產(chǎn)效率。

·安排出合理科學(xué)的工藝規(guī)程是提高效益、節(jié)約成本的最佳方法。