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鈦合金工件太硬,加工廢刀怎么辦?工廠師傅說:加工方式沒用對

發布日期:2019-09-30  瀏覽次數:280
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   鈦合金性質硬、強度高,加工的時候廢刀,有什么技巧可以順利完成加工?
  和鈦合金是近幾十年才發展起來的一種新材料,屬于有色金屬。由于他的性能和切削特點,其切削加工性比較差。但只要充分認識他的性能,合理選擇切削條件,就能順利完成對他的切削加工。
  鈦合金工件太硬,加工廢刀怎么辦?工廠師傅說:加工方式沒用對
  首先了解鈦合金是什么成份?
  鈦合金具有密度小(約4.5 g/cm3)、強度高以及耐腐蝕(酸、堿、海水和大氣等介質)等一系列優良的力學和物理性能。因此在航空、航天、核能、化工、石油、冶金和醫療器械等工業中得到越來越廣泛地應用。
  (1)鈦合金的分類。鈦是同素異構體,溶點為1720℃,同素異構轉變溫度為882℃。
  在低于882℃時,鈦呈密排六方晶格結構,稱為α鈦。在882℃以上時,呈體心立方晶格結構,稱為β鈦。利用上述兩種結構的不同特點,添加不同的合金元素,使其相變溫度及相分含量逐漸改變,從而得到不同組織的鈦合金。
  在室溫下,鈦合金有三種基本組織,可分為以下三類。①α鈦合金。由α固溶體組成的單相合金。耐熱性高于純鈦,組織穩定,抗氧化能力強,在500~600℃下仍保持其強度,抗蠕變能力強,但不能進行熱處理強化,牌號有TA4~TA8。硬度為240~300HB,抗拉強度σb為340~981MPa,伸長率δ為10%~25%,沖擊值ak為(29.43~58.86)×104J/m2,熱導率к為7.54~10.47W/m·K。②β鈦合金。由β相固溶體組成的單相合金。
  不經熱處理就有較高的強度,淬火時效后,合金得到進一步強化,但熱穩定性差,不宜在高溫下使用,牌號有TB1、TB2。硬度為240~300HB,抗拉強度σb為1 079~1 373MPa,伸長率δ為18%,沖擊值ak為29.43×104J/m2,熱導率к為6.28W/m·K。③α+β鈦合金。由α和β雙向組成,既有α穩定元素,又有β穩定元素,如Cr、Co、Fe、Ni和Mn等β共析型元素,穩定了β相。
  Sn、Zr兩種元素在α和β相中都具有相當大的固溶性,是有效的強化劑。這類合金組織穩定,有良好的高溫變形性、韌性和塑性,能進行淬火和時效,使合金強化。熱處理后的強度比退火狀態提高50%~100%。高溫強度高,可在400~500℃下長期工作,熱穩定性僅次于α鈦合金。牌號有TC1~TC10。
  硬度為210~365HB,抗拉強σb為589~1 059MPa,伸長率δ為10%~15%,沖擊值ak為(29.43~44.15)×104J/m2,熱導率к為5.44~9.63W/m·K。
  三種鈦合金中,α鈦合金的切削加工性相對較好,α+β鈦合金次之,β鈦合金最差。其中,最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金。
  (2)鈦合金的性能特點。
  ①比強度高。鈦合金的密度小,強度高,所以他的比強度(σb/ρ)大于超高強度鋼。
  ②熱強性高。鈦合金的熱穩定性好,高溫強度高,能在500℃下長期工作,而鋁合金只能在200℃以下工作。鈦合金在300~500℃溫度下的強度比鋁合金約高10倍。
  ③抗蝕性好。鈦合金在潮濕大氣和海水介質中能長期工作,其抗蝕能力遠優于不銹鋼。對點蝕、酸蝕和應力腐蝕的抵抗能力很強。對堿、氯化物、氯的有機化合物、硝酸以及硫酸等有優越的抗蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鹽介質的抗蝕性差。
  ④化學活性大。鈦與大氣中的O、N、H、CO、CO2、水蒸氣和氮氣等產生強烈的化學反應。當含碳量大于0.2%時,會在鈦合金中形成硬質TiC。溫度較高時,與N作用,也會形成TiN硬質表層。在600℃以上時,鈦能吸收氧形成硬度較高的硬化層。
  氫含量上升,也會形成硬化層。鈦吸收氣體而產生硬脆表層的深度可達0.1~0.15mm,硬化程度比基體硬度高20%~30%。鈦的化學親和性也大,易與摩擦表面產生粘結現象。
  ⑤熱導率低,彈性模量小。鈦的熱導率很低,為15.24W/m·K,是的1/4,鐵的1/5,鋁的1/4。而各種鈦合金的熱導率更低,一般為鈦的50%。如TC4的к為7.95W/m·K,TC9的к為7.12W/m·K。鈦和鈦合金的彈性模量E為110 000MPa,約為一般鋼材的1/2,故剛度差,易變形。
  ⑥低溫性能好。鈦合金在低溫和超低溫(-100~-253℃)條件下,仍保持其力學性能,是一種重要的低溫結構材料。
  2. 鈦合金的切削特點
  鈦的溶點高(1 720℃),激活能大,晶格原子不易脫離其平衡位置,故在切削加工時,切離成切屑所消耗的能量大。加入的合金元素愈多,則合金的強度、硬度愈高,愈難于切削加工。試驗證明,鈦合金的硬度大于350HBW時,切削加工越困難。
  而硬度小于300HBW時,易出現粘刀,也難于切削。鈦合金最好的切削加工硬度是300~350HBW。鈦合金難于切削的原因不只是硬度這一項,還因他本身的其他力學性能、物理性能和化學性能等因素的影響。其切削特點如下。
  (1)變形系數小。切削鈦合金的切屑變形系數略小于1或接近于1,這是切削鈦合金時一大顯著特點。其塑形變形小和切屑收縮率小,是因為在切削高溫時,鈦由α向β轉變,而β鈦的體積增大,引起切屑增長,在高溫的作用下,鈦屑吸收空氣中的O、H和N,使鈦屑喪失了塑性,切屑不再收縮。
  (2)切削溫度高。由于鈦合金的熱導率低,切削熱傳出困難,致使切削區溫度增高。所以在相同的切削條件下,他的切削溫度比切削45鋼高將近1倍。
  還因其塑性變形小,切屑與前刀面接觸短,切削熱集中于切削刃狹小區域內,不易傳出而造成。
  (3)單位面積上的切削力大。切削鈦合金的主切削力比切削一般鋼材小20%左右。但由于刀具與切屑的接觸的長度短,使單位面積上的切削大大增加,容易造成刀具崩刃。
  (4)刀具易磨損。鈦合金毛坯經過鍛造、熱軋等方法加工后,形成硬而脆的不均勻外皮,極易造成刀具磨損。再由于他的切削溫度高,切屑與刀具前刀面接觸短,散熱條件差,加之其彈性模量小,彈性恢復大(約為切削不銹鋼的2~3倍),與刀具后刀面的摩擦面積大,親和性大,易造成刀具磨料、粘結、擴散和氧化磨損。
  (5)易產生表面變質污染層。由于鈦合金的化學活性大,易與各種氣體雜質產生強烈的化學反應。如O、N、H、C等侵入鈦合金表層,易形成TiC、TiN硬質表層,致使表層的硬度和脆性上升。
  3. 切削鈦合金加工條件的選擇技巧
  (1)切削鈦合金的刀具材料。切削加工鈦合金時,應選用硬度高、耐磨性好、抗彎強度高、熱導率高和與鈦合金親和作用小的刀具材料。
  ①高速鋼。應首選含鋁、含鈷超硬高速鋼和高高速鋼,因其常溫和高溫硬度比普通高速鋼高6~8HRC,刀具耐用度可提高4倍以上。牌號有W6Mo5Cr4Ν2Al、W2Mo9Cr4ΝCo8以及W12Mo3Cr4Ν3Co5Si等。
  ②硬質合金。應選用添加TaC或NbC的YG類細晶粒或超細晶粒硬質合金。這類合金不僅硬度高、耐磨性好,而且刀具耐用度也高幾倍。牌號有YS2、YG813、YD15和YG6x等。涂層硬質合金不宜選TiN和TiC涂層,應選TiAlN和TiAlSi涂層及金剛石涂層。
  ③超硬刀具材料。如人造聚晶金剛石(PCD)、人造厚膜釬焊金剛石(CΝD)和立方氮化硼(PCBN)。他們均可高速(Νc≥200m/min)切削鈦合金,其刀具耐用度是硬質合金的幾十倍至幾百倍,且加工質量好。
  (2)切削鈦合金的刀具幾何參數。
  ①前角。鈦合金在切削時,切屑與刀具前刀面接觸很短,前角小時,可增大切屑與前刀面的接觸面積,使切削力和切削熱不致過分集中在刀具刃口上,改善散熱條件的同時保護刀刃,減少了崩刃的可能性。一般γ0=5°~15°。高速鋼刀具,γ0=10°~15°。超硬刀具材料的刀具,γ0=0°~5°。
  ②后角。由于鈦合金的彈性模量小,為一般鋼材的1/2,所以在切削時,切削表面和已加工表面的彈性恢復大,為了減小刀具后刀面和工件的摩擦和磨損,一般α0≥15°。
  ③主、副偏角。鈦合金在切削時,切削溫度高,刀屑接觸短,為增大刀尖強度、改善散熱條件并減小刀刃單位長度負荷,在粗加工時,κr≤45°,κr'=10°~15°;精加工時,κr>75°。
  ④刃傾角。由于毛坯表皮組織不均勻和硬皮,為了增大刀尖強度,粗加工時,λs=-5°~-3°;精加工時,λs=0°~3°。⑤刀尖圓弧半徑。一般取rε=0.8~1.2mm。
  (3)切削鈦合金的切削用量。由于鈦合金的性能和切削特點,影響刀具耐用度的主要因素為切削溫度。因此,力求選用最佳切削溫度下相對應的切削速度。高速鋼刀具的最佳切削溫度為480~540℃,相對應的切削速度為νc=8~12m/min;
  硬質合金刀具的最佳切削溫度為650~750℃,相對應的切削速度為Νc=25~54m/min。但進給量對鈦合金的切削溫度也影響比較大,?大切削溫度高,所以一般?不宜大于0.3mm/r。PCD、CΝD刀具的Νc=100~200m/min,但一般干切取小值,濕切取中偏大值。切削鈦合金時,應避免高速微量干切削,以免微小的鈦屑在空氣中發生自燃。
  (4)切削鈦合金的切削液。為了降低切削溫度,應在切削區澆注大量以冷卻為主的切削液。對切削液的熱導率、比熱、熱容量、汽化熱、汽化速度、流量和流速要求較高。
  一般是水比油的熱導率高3~5倍,比熱大1倍,汽化熱大約10倍,故水溶性冷卻性能最好。在車削、銑削和鉆削時,常采用乳化液或采用添加極壓添加劑(含S、P和Cl)的水溶液。
  極壓水溶液的配方是:氯化脂肪酸、聚氯乙烯0.5%~0.8%,磷酸三鈉0.5%,三乙醇胺1%~2%,亞硝酸鈉1.2%,其余為水。
  在擴孔、鉸孔、拉削和攻絲時,應采用潤滑性能好的極壓切削油、蓖麻油、油酸、硫化油和氯化油等。
 
  (5)切削鈦合金應注意的問題。
  ①切削鈦合金時應避免微量切削,以避免自燃現象發生。一旦著火,應采用滑石粉、石灰粉和干砂滅火。嚴禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器,不能澆水,以免加速燃燒,導致氫爆炸。
  ②在銑削時,應盡量采用順銑和不對稱銑,這樣在切離時切屑很薄,不易粘在刀刃上,避免在切入時損壞刀刃。不對稱銑的偏心距e=(0.04~0.1)d0,d0為銑刀直徑。
  ③由于鈦合金的彈性模量為鋼材的1/2,在夾緊時易產生變形,直接影響加工精度。所以在安裝工件時,夾緊力要適當而不宜過大,必要時增加輔助支撐。
  ④采用高速鋼鉆頭鉆孔時,鉆型盡可能采用三尖七刃的群鉆,鋒角2φ=135°~140°,橫刃寬度b=(0.05~0.1)d0,有利于排屑和減小軸向力及改善散熱條件。Νc≤12m/min,Νc偏高會加快鉆頭磨損。
  ⑤攻絲是切削鈦合金最困難的工序,特別是小直徑螺紋。因其彈性模量小,回彈大,絲錐與工件接觸面積大,造成摩擦扭矩增大,一般約為攻45鋼的1倍,造成絲錐磨損過快,甚至被咬死折斷在螺孔中。為了改變這種不良現象,應在攻絲前把絲錐的后角用金剛石什錦銼加大到約15°,且適當加大螺紋底孔直,使牙高率為70%左右。
  4. 結語
  雖然鈦合金屬于難切削材料,但只要熟知他的性能和切削特點,合理選擇刀具材料、刀具幾何參數、切削用量、切削液和注意在切削中的問題,就一定能順利完成對他的各種切削加工。
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