切削钛合金与高压冷却技术

2013-06-08陈寒梅

中国信息化·学术版 2013年2期

关键词：钛合金

陈寒梅

【摘要】延长刀具寿命、控制切屑成形、提高切削速度和工件表面质量，用高压冷却技术可达到这一目的，进而提高生产效率。

【关键词】高压冷却钛合金液氮冷却

【中图分类号】TG506【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0198-01

钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性好、耐热性高、低温性能好、比重轻等优良的综合性能而广泛应用于航空和航天、机械电子、生物医疗等行业中。因此提高切削钛合金材料的生产效率和保证加工质量愈来愈具有重要的意义。

一、钛合金切削加工难度大

钛合金具有高强度、高硬度和低密度特性，例如使用最广泛的钛合金Ti-6Al-4V（TC4）抗拉强度达900MPa，硬度为250？375HB，密度4.42 g/cm3，使得钛合金整体结构件在航空工业的应用越来越多。因此，实现钛合金结构件高效、优质切削加工已成为航空制造生产之关键，和铝合金相比，其切削加工的难点主要表现在如下几方面：

1、切削力大

切削力来源有两个方面即变形和摩擦，一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。因此金属材料的硬度和强度越高，其切削加工所需要的切削力就越大，切削温度就越高，刀具磨损就越快，故相对可加工性也就越差。

2、切削温度高

钛合金具有很差的热导率和较高的比热容，无法通过切屑把切削热从切削区传送出去。切削加工过程中所产生的热量大约有80%传入到刀具中，切削点的温度极高，可达1100～1200℃左右。因此，钛合金切削过程中刀具切削点的高温热量很难由切屑快速带走，加速了刀具磨损。

3、易发生冷硬现象

由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，极易与空气中的氧和氮发生化学反应形成硬而脆的外皮，导致切削表面生成硬化层，其深度可达0. 1？0.15mm，致使表层硬度大幅度提高，加速了刀具磨损。

为提高钛合金材料的切削效率和加工可靠性，获得钛合金构件加工的最佳成果，要把高压冷却和刀具材料、涂层、几何角度以及切削用量等要素的合理选用和设计结合起来。

二、采用高压冷却润滑是解决钛合金切削难题的一种有效措施

1、高压冷却的特点

在实际使用时，对切削刀具进行有效冷却和实施切屑的有效控制是前提条件，要求冷却润滑液有较高的压力、足够的流量、精确对准切削刃和切屑之间接触区。采用直接贯通主轴/刀具高压冷却系统，带动多个外部喷嘴喷射的外喷式切削刀具，以保持主轴良好运行性能，快速冷却刀具、工件和冲排切屑，提高零件加工质量，增加刀具使用寿命，提高加工的可靠性，有利于实现切削过程的自动化。

2、采用高压冷却的优势

2.1采用高压冷却可以改善断屑

精确定向和并行0～100MPa高压的冷却剂高速射流，把切屑从转位刀片表面上排除掉，可以起到冷却和早期断屑的作用，实现更佳的切屑控制。同时对切削刃的有效冷却，降低了切削刃对热波动的敏感性。

2.2采用高压冷却可以提高切削速度

加工钛合金时，一般采用机械夹固可转位片的刀具和整体硬质合金刀具。与常规加工相比，采用高压冷却时，由于切削区温度的降低，提高了刀具的耐用度，切削速度最多可提高200%。

2.3采用高压冷却可以提高表面质量

表面质量的波动是由于温度变化和加工时产生的切削力的影响。传统的冷却方法对改善工件表面质量有积极的影响，采用高压冷却更是极大影响最后精加工的结果.

3、采用高压冷却，应考虑以下几点：

3.1准确地协调压力、流量和喷嘴孔径之间的关系

喷嘴孔径大小应选择使其产生最高的压力和可以最佳地利用冷却润滑液的流量。根据Sandvik公司的资料，例如，在刀具上使用1mm孔径的喷嘴，为保持足够的压力，需要有5L/min的冷却润滑液流量。

3.2最大安全冷却液工作压力的确定

需要注意的是，冷却液压力不能超过刀具可承受的最大安全冷却液工作压力，工作时参考刀具生产厂家提供的刀具系列最大安全冷却液压力。