鈦合金薄壁件車削加工的研究

摘要：傳統(tǒng)的鈦合金車削加工因其切削速度低，刀具耐用度低，加工質(zhì)量難于控制，導(dǎo)致加工效率低。經(jīng)多次鈦合金車削加工試驗(yàn)、優(yōu)選了刀具材料，確定了刀具幾何參數(shù)，依據(jù)刀具磨損情況，提供了較為合理的切削數(shù)據(jù)。解決了鈦合金薄壁件加工變形問(wèn)題。
   某航空發(fā)動(dòng)機(jī)易損件，最小壁厚為2mm，總長(zhǎng)400mm，是一個(gè)典型長(zhǎng)薄壁件。技術(shù)要求較高，孔徑公差為0.046，外圓公差為0.03，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。材料從俄羅斯進(jìn)口，牌號(hào)為BT20，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度σb=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。
1 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(hào)鋼的1/6～1/7。選擇刀具材料時(shí)，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(zhǎng)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，σbb>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(wú)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。
表1 切削鈦合金選用的刀具材料
牌號(hào) ISO HRA sbb
YG3X K01 91.5 110
YG6A K10 92 140
YG6X K10 91 140
YG8 K30 89 150
YG8W K25 92 200
YG813 K20 91 160
YG643 K05 93 150
YG10HT K30 92 220
YL10.2 K35 HV1600 220
YS2T K30 91.5 180
YD15 K01 91.5 170
Y310 K05 92 125
Y320 K20 91.5 180
Y330 K30 90.3 200
YM051 K10 92.5 162
    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(dòng)。刀尖圓弧半徑?jīng)Q定刀尖強(qiáng)度、散熱及磨損，不易過(guò)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(shí)，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(wú)鋸齒，減輕崩刃磨損。
2 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(rùn)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2所示。
表2 切削參數(shù)
NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
V(m/min) 13.2 14 21.1 23.3 30 31.7 35 37.7 40 45.2 45.8 50.2 69.9 70.7 76.4 89.4 111.8 127.2 130.2 141.3
f (mm/r) 0.24 0.24 0.24 0.24 0.2 0.2 0.2 0.16 0.12 0.16 0.1 0.2 0.13 0.13 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
ap (mm) 3 3 3 3 2.5 2.5 2.5 2.5 1.5 1 1 1 0.5 0.5 0.5 0.5 0.3 0.3 0.3 0.3
3 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(shí)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(shí)，后刀面磨損量沒有達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，因刀尖磨損過(guò)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(zhǎng)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(wú)論是高速切削還是低速切削都有粘刀問(wèn)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(shí)，切削溫度達(dá)600℃以上時(shí)，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。具體數(shù)值見表3。
表3 刀具耐用度與切削速度
VB(mm) V(m/min) T(m/min)
0.2 50～140 30
0.3 35～50 60
0.5 20～35 90
0.6 >20 120
YG類g0=10°，a0=18°，干切削，濕切削時(shí)，T加倍
4 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(wú)爬行。刀桿剛度足夠。零件裝夾要牢固。例如：車Ø74外圓時(shí)，中部用中心架支撐，提高了裝夾剛度，降低了長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)，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(guò)高，V=20m/min較好�？刂苹貜椓俊Ｗ钚∏邢魃疃�0.05mm。當(dāng)ap太小時(shí)不能形成連續(xù)切屑，容易產(chǎn)生振動(dòng)。夾持剛度較好時(shí)，車外圓ap=0.01可行成連續(xù)切屑。切削鈦合金只要不振動(dòng)，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(rùn)滑液冷卻潤(rùn)滑。切削速度V≥100m/min時(shí)，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(shí)，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(dòng)，孔壁質(zhì)量立即下降。粗糙度Ra1.6µm還是容易達(dá)到的。
5 結(jié)論
    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(wèn)題。鈦合金彈性模量小，屈強(qiáng)比大；切削時(shí)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(shí)，保證必要的刀具耐用度，確定切削速度；精車時(shí)，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(wèn)題。