飞机用钛合金的加工
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钛、镍合金等一般称为切削加工性差的“难切削材料”。加工此类材料的切削刀具也必须能够适应难切削材料特有的加工条件和加工方法。
近年来,对汽车和飞机零件高强度化和轻量化的要求越来越高。因此,这些零件所使用材料中的钛、镍合金等也在不断增加。这种材料一般称为切削加工性差的“难切削材料”。加工此类材料的切削刀具也必须能够适应难切削材料特有的加工条件和加工方法。

图1 典型的钛合金航空零件
表1 各种金属材料的特性
材料种类熔点
(℃)
比重热导率
(铜比%)
弹性模量
(kg/mm2)
钛合金16884.54.410850
6602.752.77050
15357.915.721000
不锈钢1400~14277.94.220400
10838.910011000
近年来,飞机机身部件以及喷气发动机的压缩机零部件越来越多地采用了钛合金。在波音公司最新型的B787-8喷气客机中,每架飞机的钛合金使用量已增加到10吨左右(图1)。

钛合金的特点

钛合金的优点:①重量轻;②比强度高;③耐金属疲劳;④化学性能稳定。
钛合金的缺点:①切削加工性差;②温度超过400℃则强度降低(因此用于发动机的低温部分)。
钛合金难切削的主要原因:①热传导率低,刀尖易聚热;②切削热引起的高温造成粘结,导致刀具寿命降低;③与钢相比,钛合金弹性模量小,回弹效应可能引起高频颤振、擦痕和加工误差等问题。
钛合金与各种金属材料的特性比较见表1。

钛合金的加工方法

1.将刀尖温升控制到最小程度

  1. 切削速度不宜过高(40~60m/min)
    切削速度过高会产生大量切削热,导致刀具寿命降低,因此应避免采用过高的切削速度。
  2. 缩短刀具与工件的接触时间
    刀具与工件接触时间越长,产生的热量就越多,会导致刀具寿命降低。而刀具直径越大,接触时间就越长,因此在允许的范围内,应尽可能使用小直径刀具。
  3. 不宜加大切削宽度
    切削宽度越大,接触时间越长,会增加发热量。因此,加工时不宜加大切削宽度,而通过增加切削长度来提高加工效率。使用长刃刀具等对于粗加工很有效。切削宽度小的台肩铣削能减少切削热,使提高切削速度成为可能(图2)。

    图2 切削宽度与发热量

  4. 图4 超高压冷却刀具BHC8

    图5 插铣加工实例BHC8
  5. 使用45°主偏角刀具
    只要工件形状允许,应尽可能使用45°主偏角的刀具(图3),以减薄切屑,延长刀具寿命。

  6. 图3 45°主偏角的刀具
  7. 充分使用切削液,提高冷却效果
    充分使用切削液,尤其是15MPa以上的超高压切削液(图4),以降低刀尖温度、改善切屑处理效果、防止产生积屑瘤。从而能够提高切削速度和生产率。

2.提高刀具刚性

通过缩短刀具悬伸长度、增大刀具直径,可提高刀具刚性、减小刀具挠曲度。在因工件形状必须采用较大悬伸量的场合,应用插铣加工也很有效(图5)。

3.波形切削刃刀具的使用

由于波形切削刃可减小接触宽度,从而可减少热量的产生。此外,切削液可从波形刃之间到达被切削面,因此波形切削刃刀具对钛合金的加工十分有效(图6)。

图6 波形刃刀具的切削状况

图7 加工中的铣刀

图8 加工中的铣刀
表3 功率与排屑量比较
刀具风火轮刀片圆刀片
所需功率(kW)0.30.57
排屑量(cc/kW)33.017.5

图9 压缩机壳体断面

4.钛合金加工对刀具的要求

  1. 加大刀具前角(减少切削热的产生);提高刀具刚性。
  2. 使用锋利的切削刃;防止发生粘结。
  3. 选用与被切削材料亲和力低的刀片材料。
  4. 选用能抗崩刃和打刀、韧性和耐热性好的刀具材料(M类)。
  5. 选用波形刃口刀具(可用于粗加工)。

钛合金加工实例

1.ISCAR公司风火轮铣刀加工钛合金实例(图7)

风火轮铣刀是具有波形刃口的圆刀片(图8)。加工条件见表2。
表2 加工条件
工件材料Ti-6Al-4V
使用刀具铣刀型号FRW D34A50-04-22-16
刀片型号RCMT1607-FW-F20 IC908
悬伸长度200mm
切削条件切削速度55m/min
切削宽度40mm
切削深度3mm
进给速度98mm/min
与普通圆刀片相比的功率与排屑量见表3。与相同材质的圆刀片相比,锯齿刃刀具每千瓦的排屑量增加了49%。即使进给速度提高到原来的2倍(196mm/min),仍可得到相同的结果。此外,切屑也被分割得更细,刀具不易崩刃,刃口状况良好。

2.超高压切削油使用实例

使用ISCAR公司的CUT GRIP硬质合金切槽刀并采用超高压切削油加工压缩机壳体(图9)时的加工条件见表4。切削速度从过去的30m/min提高到150m/min,加工时间缩短为原来的1/3。同时,大幅度改善了切屑处理效果,减少了因粘结引起的突发性打刀,实现了稳定加工。
表4 加工条件
工件名称压缩机壳体
工件材料Ti-6Al-4V
使用刀具刀杆型号BHC8
刀片型号GIPY8.00-4.00IC20
切削条件切削速度100m/min
进给量0.2~0.25mm/r
切深0.5mm
加工要求精加工
本文作者:黄宁秋(译)
原载:《工具展望》2008年第3期
上载于:2009-12-23 14:22:40

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