钛合金冷切削加工实践研究

王正东,蔡 霞,杨 嵩

(1.广东职业技术学院,广东 佛山 528041;2.廊坊市荣祥机电设备有限公司,河北 廊坊 065000)

1 钛合金材料概述

钛合金材料具备优越的物理性能和力学特性,在航空航天、核能、石油化工以及医疗器具等领域得到广泛应用。常温下按基本组织分为:α钛合金、β钛合金以及α+β钛合金三类,α钛合金切削加工性能最优,α+β钛合金切削加工性能次之,β钛合金切削加工性能最差。钛合金材料所具备的优越性能主要有:抗腐蚀性好,可长期工作于海水或潮湿的工况下,抗腐蚀性明显优于不锈钢材料;常温强度好常温状态下钛合金材料强度要优于高强度钢;高温强度高,具备500 ℃高温下保持正常工作强度,约是同样高温条件下铝合金材料强度的10倍以上;化学活性大,常温TiC和高温TiN容易形成;低温性能好,在零下-100～-300 ℃的低温和超低温条件下,仍保持良好的力学性能。另外,钛合金材料的热导率为15.24 W/M＊K,冷切削过程产生的大量切削热不易及时传导出去,继而导致切削温度过高;钛合金材料的弹性模量E为1.1×105MPa;导致钛合金材料变形系数小、单位面积上的切削力较大、刀具的刀刃部位易磨损以及加工表面易出现变质层的切削特点。[1,2,3,4]

2 钛合金材料冷切削加工

2.1 钛合金的车削加工

2.1.1 车刀材料

采用普通高速钢车刀加工钛合金时,刀具耐用度极低。为了提高刀具耐用度,可选用高钒高速钢,较为典型的例如W12Cr4V4Mo。高速钢车刀也可选用钻高速钢,例如W12Mo9CH4VCo,亦或选用例如W6Mo5Cr4V2A1和W10Mo4Cr4V3AI等的铝高速钢。在实际的钛合金车削加工过程中,从加工成本和车刀耐用度考虑大多会选用硬质合金车刀,常见的例如YG6X、YG8、YD15、YS2T、YO6A、813和643等牌号。硬质合金车刀与高速钢车刀相比,在导热性能和抗弯强度上明显占据优势,再者硬质合金还具备晶粒细小、与钛亲合力小的特点。实际钛合金的车削加工过程,也会采用立方氮化硼、金刚石、人造聚晶金刚石作为刀具材料。

2.1.2 车刀参数

2.1.3 车削用量

切削钛合金时会产生大量的切削热,导致切削刃的切削温度变化比较剧烈,这样会极大影响刀具的耐用度。切削温度直接受切削速度的影响,所以控制车削钛合金的切削温度是选取最优切削速度的关键。经过总结大量钛合金车削实践可知,采用高速钢车刀最佳切削温度应保持在450～550 ℃,对应的切削速度最优取值范围v=7～10 m/min。采用硬质合金车刀最佳切削温度应保持在650 ℃～750 ℃,对应的切削速度最优取值范围v=(25～65) m/min。在使用人造聚晶金刚石车刀加工钛合金时,要注意是否选用冷却液,就分为湿切和干切两种情况。钛合金车削必须保证冷却液充足且均匀的切削加工就为湿切,湿切的切削速度v=(200～220) m/min。钛合金车削始终不使用任何切削液冷却润滑的切削加工就为干切,干切的切削速度v=(100～120) m/min。无论干切与湿切,都要避开硬化层车削,所以背吃刀量选取要合理,进给量选用要科学,一般粗车选ap=(3～6) mm,进给量f= (0.35～0.65) mm/r;精车选ap= (0.3～0.6) mm ,进给量f=(0.15～0.25) mm/r。特别注意:切削大深度时,切削速度就相应降低一点。钛合金冷切削过程产生大量切削热,非常有必要使用冷却液及时降温冷却。一般采用乳化液或添加挤压剂的水溶液,降温的同时还可避免以车代磨的微车削产生钛合金粉末发生自燃的安全隐患。

2.2 钛合金的磨削加工

采用同样地磨削用量加工钛合金材料时,磨削效率远低于磨削45钢,砂轮加速变钝会产生大量的切削热。钛合金材料的磨削过程极易发生强摩擦、产生弹性变形和塑性变形,磨削加工区温度超过上千度,磨削温度远高于45钢。磨削钛合金过程中,除砂轮的粘结、扩散外,同时砂轮磨粒与钛合金材料的化学作用也会加速砂轮磨损。选择合理的砂轮材料、优化磨削用量以及正确选用磨削液是控制磨削温升、防止过大的磨削变形以及砂轮快速磨损的有效手段。

2.2.1 砂轮材料

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钛合金磨削加工一般选用铈碳化硅或绿碳化硅基体磨料的砂轮。铈碳化硅或绿碳化硅基体材料可有效降低与钛合金材料的粘附现象,大幅减低砂轮的堵塞情况。为了提高磨削效率,增大磨削比,可考虑采用金刚石或立方氮化硼CBN砂轮。金刚石或立方氮化硼砂轮基体的磨料自身硬度高,磨削钛合金产生的切削力相对较小,磨削温度自然降低。例如,选用粒度为36#～ 80#、陶瓷结合剂的立方氮化硼或金刚石砂轮,属于疏松或中等偏疏松级别。

2.2.2 磨削用量

一是平面磨削用量。粗加工时,砂轮速度vc=(15～22) m/s,工作台速度vw=(15～20) m/min,横向进给量fc=(0.5～5) mm/st,磨削深度ap=(0.01～0.025) mm。精加工时,砂轮速度vc=(15～20) m/s,工作台速度vw=(8～15) m/min,横向进给量fc=(0.5～5) mm/st,磨削深度ap≤0.01 mm。

二是外圆磨削用量。粗加工时,砂轮速度vc=(5～20) m/s,工件速度vw=(15～30) m/min,纵向进给量(B为砂轮宽度)f=B(1/5～1/8) mm/r,磨削深度ap=(0.01～0.025) mm。精加工时,砂轮速度vc=(15～20) m/s,工件速度vw=(15～30) m/min,纵向进给量(B为砂轮宽度)f=B(1/8～1/10) mm/r,磨削深度ap=(0.01～0.018) mm。

三是内圆磨削用量。粗加工时,砂轮速度vc=(20～25) m/s,工件速度vw=(15～50) m/min,纵向进给量(B为砂轮宽度)f=B(1/3～1/4) mm/r,磨削深度ap=(0.01～0.02) mm。精加工时,砂轮速度vc=(20～25) m/s,工件速度vw=(15～50) m/min,纵向进给量(B为砂轮宽度)f=B(1/6～1/10) mm/r,磨削深度ap=(0.001～0.008) mm。

2.2.3 磨削液

磨削钛合金材料的磨削液应依据砂轮类型来选择。铈碳化硅或绿碳化硅基体材料砂轮磨削钛合金,粗磨加工过程一般采用水溶液。常用的水溶液例如:亚硝酸钾水溶液、甲酸钠水溶液、亚硝酸钠水溶液、亚硝酸钾与甲酸钠混合水溶液、高氯化油等;精磨加工过程通常使用S、P、Cl的极压油,精磨加工的整体效果较好。立方氮化硼或金刚石基体材料砂轮磨削钛合金,不能使用水溶液,要避免立方氮化硼或金刚石砂轮的快速磨损。

2.3 钛合金的钻削加工

钻孔具备半封闭式切削加工特点,钻孔的切削力和切削热比其他冷加工方式都高。对于钛合金来说,钻孔产生的切削力和切削热现象更为严重。另外,钛合金的回弹量相对较大,深孔钻过程中容易发生钻头卡住或折断现象,且断屑困难,导致切屑长而薄,易粘结在钻头上发生危险。因此,选择合理的钻头材料、优化钻削用量以及选用合适的磨削液,将有效控制钻削温度,提高钻孔效率,尤其利于防止深孔钻钻头卡住和折断的情况发生。

钻孔过程钻头与钛合金势必要发生强烈的接触摩擦,钻头材料的选用要重点关注与钛合金产生的亲和作用,尽量减少两种材料间粘结磨损的发生概率。对于钛合金材料的钻孔,工程应用上实际多选用YG类硬质合金钻头。批量生产或减低成本时也可以使用高速钢钻头,但要注意钻头的刀具参数,顶角要增大至2￠=(135°～140°),后角a0=(12°～15°)。为了控制钻孔时产生过大的轴向力,需要对高速钢钻头实施修横刃处理,具体修正参数为:横刃长度b=(0.08～0.1) d0,切削钻尖与横刃尖轴向差h=(0.6～1) d0,过渡圆角R=1/3 d0,实际切削刃长度L=(1/4～1/5) d0,外缘处棱带修正高度f=(1/10) d0,这里d0为钻头直径尺寸mm。

采用高速钢钻削钛合金材料的切削速度v=(7～10) m/min,进给量f=(0.05～0.18) mm/r。采用YG类硬质合金的钛合金钻削加工,钻头的切削速度v=(25～60) m/min,进给量f=(0.08～0.15) mm/r。

钛合金热导率和弹性模量都较小,冷切削会产生大量切削热,尤其是半封闭加工的钻削过程来说,必须选用冷却效果理想的冷却液进行降温冷却,钻削浅孔应使用电解切削液,钻削深孔则应选用硫化油或30号机油按3:1或3:2配比煤油的润滑油冷却。

2.4 钛合金的铰削加工

铰孔属于切削量较小的精加工,所以钛合金铰孔不宜留过大的加工余量,确定铰削余量是钛合金铰削加工的关键。铰削钛合金的刀具一般选用YG类硬质合金铰刀和高速钢铰刀。

铰刀作为标准化刀具,标准参数为:前角γ0= (0°～5°),后角a0=(10°～15°),切削锥角￠=(15°～25°)。如果是阶梯铰刀,切削锥角￠=(15°～18°),刃倾角λs=(12°～15°),为保证容屑空间足够大,一般来说阶梯铰刀的齿数不能多于标准铰刀的齿数,铰刀的齿槽角￠=(85°～90°)。大量的加工实践经验表明,钛合金的铰孔过程中,铰刀在直径尺寸上会产生一个极微小扩张量,硬质合金铰刀的极微小扩张量约为0.006 mm,高速钢铰刀的极微小扩张量约为0.008 mm,在实际的加工中要注意铰刀的这个微小扩张量对孔径尺寸精度的影响。

钛合金铰孔切削用量的确定,采用高速钢铰刀时,切削速度v=(6～10) m/min,进给量f=(0.1～0.5) mm/r。采用硬质合金铰刀时,切削速度v=(15～55) m/min,f=(0.1～0.5) mm/r。粗铰孔加工余量ap=(0.08～0.3) mm,精铰孔加工余量ap=(0.06～0.15) mm。一般来说,铰孔直径小取较小的加工余量,反之铰孔直径大取较大的加工余量。特别注意当钛合金硬度大于HB350时,不管是粗铰还是精铰的切削用量都应减低至原来的四分之三。

钛合金铰孔最常用的切削液是电解液,也可使用植物油与煤油按3:2的配比混合成的切削油。

2.5 钛合金的攻丝加工

钛合金回弹模量小,丝锥与零件底孔接触面积大,单位面积内的切削扭矩大。钛合金攻丝时由于切削扭矩大,丝锥容易出现崩刃、咬死而折断的问题。因此,攻丝钛合金在冷切削加工中属于困难工序之一,容易出现零件报废,尤其是钛合金的小孔攻丝。所以选择合适的丝锥材料、优化好攻丝切削用量、正确选用冷却液、合理修正丝锥以及精确控制底孔直径等,将有效降低攻丝切削扭矩,提高攻丝精度,尤其利于防止小孔攻丝时丝锥折断的情况发生。

丝锥一般选用Co或A1含量高性能优越的高速钢材料,且对丝锥工作部位进行渗硫、渗氮、离子注入等硬化表面处理,保证丝锥具备良好的使用性能,同时提高了丝锥的耐磨性。要想解决钛合金攻丝困难问题,关键是要减少丝锥工作部分与钛合金底孔的接触面积,以便减低切削扭矩,为此有必要对丝锥进行自身结构修整。常见的钛合金丝锥结构修整内容包括:一是留(0.2～0.3) mm宽的刃带,注意刃带位置应在校准齿后,且必须紧挨着校准齿;二是增大丝锥后角至20°～30°的取值范围;三是减小扭矩加大倒锥角度,把倒锥锥度加大至(0.15～0.3)/100 mm以上,注意要在保留2～3个完整的校准齿后逐步开始加大锥度;四是合理使用新结构丝锥,例如修正丝锥和跳牙丝锥等。使用结构修整后的丝锥加工钛合金螺纹,攻丝效果得到显著提升。

钛合金攻丝加工时,螺纹底孔直径尺寸确定与普通材料有一些不同,主要表现在要保持钛合金螺纹的牙高比值接近0.7,而大约0.7的牙高比值对螺纹连接强度的影响并不大。牙高比值过多低于0.7,虽能有效控制钛合金攻丝过程的最大切削扭矩,但会降低钛合金螺纹的连接强度。牙高比值远高于0.7,使得钛合金攻丝扭矩剧烈增大,发生崩刃、咬死甚至折断丝锥的可能性极大。钛合金小螺纹加工或粗牙攻丝时,牙高比值应再小一点,保证螺纹连接强度不受影响的前提下,尽可能减少丝锥工作部分的接触面积,从而降低切削扭矩。

依据积累的大量钛合金螺纹底孔加工经验,总结出钛合金螺纹底孔直径尺寸的经验计算公式:D0=(D-0.77P) mm,公式中D0为内螺纹底孔直径尺寸,D是内螺纹公称直径尺寸,P是内螺纹螺距尺寸。

采用机攻方式,切削速度v=(2～5) m/min,手动攻丝方式必须保持匀速切削,不宜过快。采用机攻还是手攻钛合金都必须使用切削液,起到冷却降温润滑的作用。一般选用极压切削液,Cl、P含量越大,冷却效果好,但要及时清洗钛合金零件,以防发生腐蚀。

3 结语

钛合金是制造装备行业最常用的材料之一,属于典型的难加工材料。经过长期的实践加工总结,对钛合金的四种冷切削加工方法:车削、磨削、钻削、铰削和攻丝给出刀具材料、几何参数、切削用量等几方面具体的加工参数推荐值。后续将继续进行钛合金冷切削的加工实践积累,进一步优化各种加工方式的切削参数,逐步提高钛合金冷切削加工效率。