钛合金的切削加工

钛的海洋

1. 钛合金可分为哪几类 ?

钛是同素异构体 , 熔点为 1720℃, 在低于 882℃时呈密排六方晶格结构 , 称为

α 钛; 在 882℃以上呈体心立方品格结构 , 称为 β 钛。利用钛的上述两种结构的不同特点 , 添加适当的合金元素 , 使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下 , 钛合金有三种基体组织 , 钛合金也就分为以下三类 :

(1) α 钛合金 : 它是 α 相固溶体组成的单相合金 , 不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下 , 均是 α 相, 组织稳定 , 耐磨性高于纯钛 , 抗氧化能力强。在

500℃~600℃的温度下 , 仍保持其强度和抗蠕变性能 , 但不能进行热处理强化 , 室温强度不高。

(2) β 钛合金 : 它是 β 相固溶体组成的单相合金 , 未热处理即具有较高的强度 ,

淬火、时效后合金得到进一步强化 , 室温强度可达 1372~1666 MPa;但热稳定性较差 ,

不宜在高温下使用。

(3) α+β 钛合金 : 它是双相合金 , 具有良好的综合性能 , 组织稳定性好 , 有良好的韧性、塑性和高温变形性能 , 能较好地进行热压力加工 , 能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高 50%~100%;高温强度高 , 可在

400℃~500℃的温度下长期工作 , 其热稳定性次于 α 钛合金。

三种钛合金中最常用的是 α 钛合金和 α+β 钛合金 ; α 钛合金的切削加工性最好 , α+p 钛合金次之 , β 钛合金最差。α 钛合金代号为 TA,β 钛合金代号为

TB,α+β 钛合金代号为 TC。

2. 钛合金有哪些性能和用途 ?

钛是一种新型金属 , 钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关 , 最纯的碘化钛杂质含量不超过 0.1%, 但其强度低、塑性高。 99.5%工业纯钛的性能为 : 密度

ρ =4.5g/cm3, 熔点为 1800℃, 导热系数 λ=15.24W/(m.K), 抗拉强度 ζb=539MPa,伸长率 δ=25%,断面收缩率 ψ=25%,弹性模量 E=1.078×105MPa,硬度 HB195。

(1) 比强度高 : 钛合金的密度一般在 4.5g/cm3 左右 , 仅为钢的 60%,纯钛的强度接近普通钢的强度 , 一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度 ( 强度 / 密度 ) 远大于其他金属结构材料 , 见表 7-1, 可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

(2) 热强度高 : 对于 α 钛合金 , 在 350℃时 TA6的巩达 422MPa、 TA7的 ζb达

491MPa,在 500℃时 TA8的 ζb达 687MPa;对于 α+β 钛合金 , 在 400℃时 TC4的 ζb

达 618MPa、TC10的 ζb达 834 MPa,在 450℃时 TC6和 TC7的 ζb均达 589MPa、

TC8的 ζb达 706MPa,在 500℃时 TC9的 ζb达 785MPa。这两类钛合金在

150℃~500℃范围内仍有很高的比强度 , 而铝合金在 150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达 500℃, 铝合金则在 200℃以下。

(3) 抗蚀性好 : 钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作 , 其抗蚀性远优于不锈钢 ;

对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强 ; 对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。

(4) 低温性能好 : 钛合金在低温和超低温下 , 仍能保持其力学性能。在 - 100℃和

- 196℃时 TA4的 ζb分别为 893MPa和 1207MPa,在 - 196℃和 - 253℃时 TA7的 ζb分别为 1216MPa和 1543MPa、 TC1的 ζb分别为 1133MPa和 1354MPa、 TC4的

ζb分别为 1511MPa和 1785MPa。因此 , 钛合金也是一种重要的低温结构材料。

(5) 化学活性大 : 钛的化学活性大 , 与大气中 O、N、H、CO、 CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于 0.2%时, 会在钛合金中形成硬质 TiC; 温度较高时 , 与 N 作用也会形成 TiN 硬质表层 ; 在 600℃以上时 , 钛吸收氧形成硬度很高的硬化层 ; 氢含量上升 , 也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达

0.1~0.15 mm, 硬化程度为 20%~30%。钛的化学亲和性也大 , 易与摩擦表面产生粘附

现象。

(6) 导热系数小、弹性模量小 : 钛的导热系数 λ=15.24W/(m.K), 约为镍的 1/4,

铁的 1/5, 铝的 1/14, 而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降 50%。钛合金的弹性模量约为钢的 1/2, 故其刚性差、易变形 , 不宜制作细长杆和薄壁件 , 切削时加工表面的回弹量很大 , 约为不锈钢的 2~3 倍, 造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。

钛合金的牌号、性能见表 7-2 。

3. 钛合金有哪些切削特点 ?

钛合金的硬度大于 HB350时切削加工特别困难 , 小于 HB300时则容易出现粘刀

现象 , 也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面 , 关键在于钛合金

本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特

点 :

(1) 变形系数小 : 这是钛合金切削加工的显著特点 , 变形系数小于或接近于 1。切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大 , 加速刀具磨损。

(2) 切削温度高 : 由于钛合金的导热系数很小 ( 只相当于 45 号钢的 1/5~1/7),

切屑与前刀面的接触长度极短 , 切削时产生的热不易传出 , 集中在切削区和切削刃附近的较小范围内 , 切削温度很高。在相同的切削条件下 , 切削温度可比切削 45 号钢时高出一倍以上。

(3) 单位面积上的切削力大 : 主切削力比切钢时约小 20%,由于切屑与前刀面的接触长度极短 , 单位接触面积上的切削力大大增加 , 容易造成崩刃。同时 , 由于钛合金的弹性模量小 , 加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形 , 引起振动 , 加大刀具磨损并影响零件的精度。因此 , 要求工艺系统应具有较好的刚性。

(4) 冷硬现象严重 : 由于钛的化学活性大 , 在高的切削温度下 , 很容易吸收空气中的氧和氮

形成硬而脆的外皮 ; 同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度 , 而且能加剧刀具磨损 , 是切削钛合金时的一个很重要特点。

(5) 刀具易磨损 : 毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后 , 形成硬而脆的不均匀外皮 , 极易造成崩刃现象 , 使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外 ,

由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强 , 在切削温度高和单位面积上切削力大的条

件下 , 刀具很容易产生粘结磨损。车削钛合金时 , 有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重 ; 进给量 f<0.1 mm/r 时, 磨损主要发生在后刀面上 ; 当 f>0.2 mm/r 时, 前刀面将出现磨损 ; 用硬质合金刀具精车和半精车时 , 后刀面的磨损以 VBmax<0.4 mm较合适。

4. 切削钛合金时怎样选择刀具材料 ?

切削加工钛合金应从降低切削温度和减少粘结两方面出发 , 选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料 ,YG 类硬质合金比较合适。由于高速钢的耐热性差 , 因此应尽量采用硬质合金制作的刀具。常用的硬质合金刀具材料有

YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、 643、YS2T和 YD15等。

涂层刀片和 YT类硬质合金会与钛合金产生剧烈的亲和作用 , 加剧刀具的粘结磨损 , 不宜用来切削钛合金 ; 对于复杂、多刃刀具 , 可选用高钒高速钢 ( 如W12Cr4V4Mo)、高钴高速钢 ( 如 W2Mo9Cr4VCo8)或铝高速钢 ( 如

W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料 , 适于制作切削钛合金的钻头、铰刀、立铣刀、拉刀、丝锥等刀具。

采用金刚石和立方氮化硼作刀具切削钛合金 , 可取得显著效果。如用天然金刚

石刀具在乳化液冷却的条件下 , 切削速度可达 200 m/min; 若不用切削液 , 在同等磨

损量时 , 允许的切削速度仅为 100m/min。

5. 切削钛合金时怎样选择刀具几何参数 ?

(1) 前角 γ0: 钛合金切屑与前刀面的接触长度短 , 前角较小时既可增加刀屑的接触面积 , 使切削热和切削力不至于过分集中在切削刃附近 , 改善散热条件 , 又能加强切削刃 , 减小崩损的可能性。一般取 γ0=5°~15°。

(2) 后角 α0: 钛合金已加工表面弹性恢复大、冷硬现象严重 , 采用大后角可减小对后刀面造成的摩擦、粘附、粘结、撕裂等现象 , 以减小后刀面的磨损。各种切削钛合金刀具的后角基本上都大于等于 15°。

(3) 主偏角 κr和副偏角 κ′ r: 切削钛合金时切削温度高、弹性变形倾向大 ,

在工艺系统刚性允许的条件下 , 应尽量减小主偏角 , 以增加切削部分的散热面积和减小切削刃单位长度上的负荷 , 一般采用 κr=30°, 粗加工时取 κr=45°。减小副偏角可以加强刀尖 , 有利于散热和降低加工表面粗糙度值 , 一般取 κ′ r =10°~15°。

(4) 刃倾角 λs: 由于毛坯有硬皮和表层组织不均匀 , 粗车时切削刃容易崩损 ,

为了增加切削刃的强度和锋利程度 , 应加大切屑的滑动速度 , 一般取 λs = - 3°~-

5°, 精车时 λs =O°。

(5) 刀尖圆弧半径 r ε: 切削钛合金时刀尖是最薄弱的部分 , 容易崩掉和磨损 ,

需磨出刀尖圆弧 , 一般 r ε=0.5~1.5mm。

车削时采用负倒棱 (b γ=0.03~0.05 mm, γ01=- 10°~0°), 断 ( 卷) 屑槽的槽底

圆弧半径 Rn=6~8 mm。