钛合金零件的车削加工
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钛合金零件的车削加工却非常困难,本文探讨了钛合金的车削加工策略,对机械工艺师们加工这种用途广泛(如赛车零件、水下呼吸装置等)的难加工材料以及应用新的切削技术将有所帮助。
钛合金具有的特殊性能使其应用领域越来越广泛。很高的强度/重量比、极好的韧性和卓越的抗腐蚀性能使钛合金可用于制作医用人体植入件、高尔夫球杆头以及军用装甲等。
但是,钛合金零件的车削加工却非常困难,令机械工艺师们望而生畏,他们认为,钛合金的超级性能大大削弱了其可加工的“能力”,使其切削加工极具挑战性。这种看法虽有道理,但并不全面。本文探讨了钛合金的车削加工策略,对机械工艺师们加工这种用途广泛(如赛车零件、水下呼吸装置等)的难加工材料以及应用新的切削技术将有所帮助。
钛合金生产商——RTI国际金属公司的高级项目专家Bill Headland指出,虽然许多加工车间将钛合金加工视为畏途,但实际上钛合金包括的品种范围很广,你必须了解你所加工的是哪一种。钛合金的牌号很多,有些牌号加工难度极大,而另一些牌号却并非如此。商用纯钛(CP牌号)是一种非合金材料,通常用于制造医用零件、热交换器和眼镜框架等。CP牌号具有卓越的抗腐蚀性,且相对而言较易加工。但与其它钛合金相比,其强度很低,且又粘又软。
在纯钛中加入合金后,改变了其晶相(晶体结构),也改变了材料的特性和机械加工性。α钛合金和准α钛合金中包含了如镍、铝、钒等添加成份。这些中间牌号钛合金的可切削性相当不错。α-β钛合金牌号可能包含有更多的铝和钒。工业用主流钛合金Ti6Al4V就是一种α-β钛合金牌号,其中包含了约6%的铝和4%的钒。Ti6Al4V及其变种大约占到目前所用钛合金的50%-70%。
添加了铁、铬等成分的β牌号钛合金是最难以加工的牌号之一。由于具有高的断裂韧性和优异的抗高周期疲劳性能,β牌号的机械加工性与Hastelloy镍基合金及类似材料相近,其典型的应用实例是制造轻型弹簧,用于触发水下发射战术导弹的可折叠尾翼。
各种钛合金呈现出各不相同的切削性能。有人认为,加工一个Ti6Al4V工件所需的时间通常是加工一个钢件的三倍:而有人说,加工一个Ti5553难加工β牌号工件所需的时间则是加工一个Ti6Al4V工件的两倍。
在车削加工中,钛合金最重要的特性就是热传导性差。由于切削时产生的高温很难被工件吸收而聚集于刀具切削刃上,过多的热量促使切削刃与切屑之间发生化学反应并产生月牙洼磨损。
钛合金还具有加工硬化趋势,因此,通过剪切而不是挤压去除金属至关重要。此外,虽然钛合金具有很高的强度,但同时也具有较低的弹性模量,这就意味着与其它材料相比,钛合金相对更具弹性且更容易离开切削刃(尤其在轻载切削时)。综合考虑钛合金的这些特性,为了成功实现钛合金的车削加工,关键是必须实现切削速度、进给率和切削深度的平衡。
切削速度是影响切削热产生的首要因素。山特维克可乐满的车削专家Stefan Gyllengahm曾经花了三年半时间为工具制造商开发刀具牌号。在此期间,他在实验室进行了Ti6Al4V的切削试验,结果表明,切削速度的选择必须十分小心:在某些情况下,当切削速度提高10%~15%,则刀具寿命会从40件下降为6件,这表明切削速度的调整幅度过大。他还发现,当以不会缩短刀具寿命的切削速度进行车削时,如果提高进给率,则会达到一个有损刀具寿命的临界温度,因为存在一个热量过多的极限范围。

采用安装主偏角为45°的正方形刀片(左)以取代95°主偏角的80°刀尖角刀片(左)将产生宽而薄的切屑,减轻切削刃上热量的集中程度

车削一个Ti6Al4V材料的部件所花的时间是车削类似的钢件时间的3倍
刀具几何形状在控制切屑形态以散热方面起着关键作用。较宽和较薄的切屑扩大了正在形成的切屑与切削刃之间的接触面积,从而可减少热量在切削刃的聚集。如果切屑较薄,产生的热量较少,切削速度就可以更快一些。例如,使用具有95°主偏角的C型(80°)金刚石刀片进行粗加工时,切屑厚度与进给率大致相等:而采用安装主偏角为45°的正方形刀片则可以使被切除的金属(以及切削热)沿着较长的切削刃扩散。圆刀片在理论上将这一概念发挥到了极致(但仅限于切深较小时)。Gyllengahm表示,通常在切深较小时,采用圆刀片可获得很薄的切屑。但是,考虑到具有12.7mm内切圆的圆刀片在切深大于2mm时其有效导程角会减小,因此最好使用方刀片,因为在相同的切深下,方刀片仍然具有45°主偏角。
Bill Skoretz是Patriot Forge公司加工分部的经理,该公司提供从低合金钢、不锈钢到特殊牌号铝合金、钛合金等各类原材料,有时也会为公司的客户加工钛合金零件。当讨论车削钛合金所面临的挑战时,他重点回顾了车削轧钢机用冷却液喷头的经历。这种耐腐蚀的钛合金牌号具有磨蚀性。由于钛合金具有回弹性,因此必须采用正的刀具几何角度,而且要重视刀具头部的形状。如果刀具的底
本文作者:胡红兵 (编译)
原载:《工具展望》2008年第3期
上载于:2009-11-2 19:29:00

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