宣布时间：2021-12-09点击：1751
从大气、质料性能和含碳量三方面因素对钛合金切削性能进行剖析 ，同时针对以上影响因素提出了相应的革新步伐 ，为飞机制造和修理历程中钛合金结构的切削加工涤讪了理论和实践基础。
钛合金质料具备比强度高、耐高温性好、抗腐化等优良的物理、化学性能 ，被广泛应用于航空航天、石油化工、海洋、能源和交通运输等工业领域。随着现代飞机对隐身性能、抗疲劳性能和高强轻质等性能要求的不绝提高 ，钛合金在飞机制造领域的应用日益广泛 ，飞机上接纳机械加工的零部件所占的比例也相应增加 ，但基于钛合金自己的物理性质 ，其切削加工性较差 ，加工历程中导热性较差 ，切削时质料黏度较大 ，导致大宗钛合金要害零件、重要零件的切削难度很是大 ，加工精度禁止易包管 ，因此在飞机制造和修理领域中解决上述钛合金精密切削历程中保存的问题 ，对突破钛合金机械加工的技术瓶颈至关重要。
1.钛合金零件切削加工的影响因素
钛合金差别于铝合金、合金钢和镁合金等金属质料 ，在高速切削情况下 ，无法包管其加工精度和加工质量。造成其加工难度大的影响因素主要有以下两个方面：一是质料的固有属性；二是航空结构件的特殊性能要求。
钛合金质料的固有属性体现在以下三方面：①由于钛合金的导热性差 ，摩擦因数大 ，导致切削热不易传出 ，且集中在切削区和切削刃四周的较小区域内。高温下切削刃的硬度降低 ，造成刀具寿命的缩短 ，严重时会直接影响加工零件的精度。②钛元素化学性质生动 ，在300℃以上 ，钛原子容易与大气中的氢、氧及氮等非金属元素爆发强烈的化学反应 ，形成外貌硬化层 ，在切削热的作用下 ，该部位温度升高 ，更容易与空气中的CO2和油脂中的碳元素爆发化学反应 ，当含碳量＞0.12%时 ，会形成TiC硬质碳化物 ，进而加速切削历程中刀具的磨损。③钛合金对含钛元素的刀具质料具有十分强烈的化学亲相助用。④弹性模量E数值较小 ，抗拉强度与屈服强度比值较小 ，进而导致在机械加工历程中刀具会随着工件的转动爆发较大的回弹 ，从而增加了切削摩擦力 ，加速刀具磨损 ，影响加工精度。
钛合金航空结构件的特殊性要求 ，主要体现在以下三方面。
1）结构庞大 ，尺寸较大 ，切削精度与质量有严格的要求。
2）在满足抗拉强度、屈服强度、疲劳强化和弹塑形极限等质料特性的前提下 ，为了进一步满足飞机局部对静载和动载强度的要求 ，筋板增强结构和薄壁槽腔结构在飞机结构中比较常见 ，如果接纳机械加工方法进行成形制造 ，从板料到制品 ，去除量很大 ，加工历程也容易爆发较大变形 ，产品精度难以包管。如图1所示为某型飞机TA15钛合金防护栅局部示意图 ，图2为薄壁槽腔结构示意图。
3）加工应力大 ，易变形 ，加工尺寸难包管。如图3所示为TC6钛合金长轴类零件图 ，该零件具有加工本钱腾贵、尺寸要求精密、外形庞大、加工难度大、除屑率高、加工应力大及易变形等特点。产品在加工历程中要考虑应力变形因素的影响 ，不然极易因变形造成报废。该产品长轴车削加工以及磨削同轴度、圆跳动的包管是研究的重点 ，对技术手段、生产条件都提出了很高的要求。
2.钛合金切削加工革新步伐
为了包管钛合金零件的切削加工质量 ，基于此类质料切削性能的影响因素 ，可以从刀具选择、切削参数调解和工装夹具设计三个方面对切削性能进行革新。
（1）刀具质料的选择
凭据钛合金质料的属性特点 ，刀具的选择应从降低切削温度、减少粘刀磨损等方面来考虑。
凭据硬质合金刀具质料的组成特点 ，YT类刀具中含有Ti元素 ，看待加工的钛合金零件具有亲和作用 ，容易“粘刀” ，损坏刀尖 ，因此加工钛合金时 ，不应该选择YT类硬质合金刀具。当接纳l m/s以下的低速切削加工时 ，选用YG类刀具。为了包管钛合金的高速切削质量 ，加速加工历程中切削热量的散去 ，可以接纳YG8刀具进行粗加工和断续加工 ，选用YG3刀具进行精细加工和连续加工。
基于以上的论述 ，钛合金刀具质料需要满足以下特点：①高硬度且具备足够的强度和韧性。②高耐磨性。③刀具质料与钛合金亲合能力差 ，不与钛合金质料爆发熔敷、扩散。
（2）合理的切削参数选择与工序安排
刀具切削参数的选择对钛合金加工历程的可靠性和加工质量有着重要的影响 ，尤其是切削前角、切削后角和切削刃圆弧半径。切削刀具和切削前角γo、后角αo示意如图4所示。
在切削历程中 ，切削摩擦生热 ，一部分机械能转化为了热能 ，且钛合金导热能力较差 ，热量集中 ，导致切削工件温度升高 ，温度升高后新鲜的切削金属外貌与空气中的氧、氢、氮等元素爆发反应 ，形成了硬而脆的化合物 ，切削难度增大 ，故刀具会爆发磨损且磨损位置是前刀面。凭据力学盘算 ，数值较小的前角γo可以降低作用在前刀面上的摩擦力 ，进而有效降低刀具磨损。别的 ，降低前角γo的数值 ，可增加切屑与前刀面的接触面积 ，既能降低刀尖部位的应力集中 ，又能加速散热 ，进而降低切削历程中的崩刀几率。研究标明 ，目今角γo为28°～30°时 ，刀具的耐用度***高。切削后角αo作为钛合金机加历程***敏感的参数 ，αo数值越大 ，刃口越易切入金属层 ，但αo数值过大时 ，切削刃容易崩碎。凭据加工经验 ，后角αo选取15° ，既可包管切削刃的尖锐性 ，也可降低刀尖的温度 ，增加刀具的耐用性。凭据实际生产经验 ，切削刃圆弧半径r增大 ，可以减少刀具的崩落现象。这是因为切削圆弧的曲率半径增大 ，切削应力集中系数下降 ，进而降低加工应力 ，并提高了刀具使用寿命。
由于钛合金质料强度高 ，导热系数低 ，因此在切削加工历程中 ，易于在切削区域形成高温 ，散热慢 ，倒运于热平衡 ，散热和冷却效果很差 ，加工后零件变形回弹大 ，因该原因引起的变形 ，导致多次加工的零件成批报废。为了制止该问题的爆发 ，可以从加工工序上进行合理安排。经过重复的测试与验证 ，加工钛合金零件需要小进给量切削 ，并且预留0.5～1mm加工余量 ，经过消除应力热处理后 ，才华进行精加工 ，精加工后还需进行消除应力热处理 ，这样可以有效解决加工应力变形问题。
（2）工装夹具设计
以图3所示的钛合金TC6长轴类零件为例 ，该零件在切削加工后需要镀硬铬后包管φ34h8要求 ，通过***两端顶起外磨两处φ34h8后丈量发明 ，两端φ34h8尺寸圆跳动超差 ，并且钛合金切削历程中机床***爆发磨损 ，但更换硬质***后 ，产品两端***爆发磨损 ，通过添加润滑油等方法均无法解决该问题。经过重复试验与测试 ，钛合金和机床***爆发的磨损 ，使钛合金具有从周围大气中吸收氧和氢的能力 ，爆发组织的α化 ，并使加工外貌强化 ，当更换的***硬度大于外貌强化硬度时 ，产品自己就会爆发磨损 ，并且在外圆磨床上加工的所有类型钛合金均会泛起该问题 ，加工现场如图5所示。
为了制止机床***与产品爆发互磨 ，将外圆磨床进行革新 ，两***改装为活*** ，如图6所示。工件和***一起旋转 ，这样就制止了机床在旋转历程中与零件爆发的摩擦 ，包管了产品的同轴度 ，并且解决了所有钛合金外圆切削同轴度的问题。
3.结语
钛合金切削质量的影响因素有：大气中的碳、氢、氧及氮等元素会造成“冷硬现象”；钛合金的导热性差 ，严重影响切削刀具寿命和加工精度；碳元素的引入造成钛合金的可切削性下降 ，同时加速刀具磨损；钛合金对“含钛元素”的刀具的化学亲相助用会加速刀具磨损。针对以上影响因素 ，合理选择刀具质料、切削参数、工序和工装夹具等 ，改善切削加工性能。
来源：金属加工
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