鈦合金材料高效切削工藝性能研究
鈦合金材料高效切削工藝性能研究
鈦合金被視為“全能金屬”，具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性等特性，是高機(jī)動(dòng)性裝備，輕量化制造的優(yōu)選材料之一。但鈦合金的切削性能比較差，通過對(duì)其性能剖析和原理試驗(yàn)，在合理選擇刀具，優(yōu)化切削參數(shù)等方面進(jìn)行攻關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金材料的高效數(shù)控加工。
鈦合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能和物理性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、軍工和醫(yī)療器械和其它民用領(lǐng)域，如鈦合金 TC4（化學(xué)成分 Ti-6Al-4V），在陸軍裝備高機(jī)動(dòng)性、耐高溫、輕量化制造方面得到推廣應(yīng)用。因此，通過對(duì)鈦合金材料的機(jī)理研究和加工試驗(yàn)， 制定高效切削工藝方案，解決其切削難度大、數(shù)控加 工效率低的問題。
鈦合金不僅具有重量輕、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性、無磁性的優(yōu)良性能，而且在酸、堿、海水和大氣等介質(zhì)中耐腐蝕等顯著特性。
1）比強(qiáng)度高（σb/ρ）。鈦合金密度為 4.52g/ cm3 ，約為鋼的 57%。其機(jī)械強(qiáng)度卻與鋼相當(dāng)，具有高強(qiáng)度，通常抗拉強(qiáng)度為（686-1176）MPa。其中 TC4 抗拉強(qiáng)度 Rm 約為 1262 MPa。
2）硬度較高。鈦合金（退火態(tài) M）的硬度可達(dá) （32 ～ 39）HRC，其硬度對(duì)切削加工影響較大。
3）高溫和低溫性能優(yōu)良。在高溫下，鈦合金能保持良好的機(jī)械性能，其耐熱性高于鋁合金，在 （300 ～ 500）℃溫度下的強(qiáng)度比鋁合金約高 10 倍， 新型耐熱鈦合金可在（550 ～ 600）℃下長(zhǎng)期服役 ；在低溫和超低溫（-100 ～ -253）℃條件下，仍能保持其力學(xué)性能，又是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。
4）抗腐蝕性強(qiáng)。鈦在 550℃以下的空氣中，表面會(huì)迅速形成薄而致密的氧化鈦膜，故在大氣、海水、 硝酸等氧化性介質(zhì)及強(qiáng)堿中，鈦合金耐蝕性優(yōu)于多數(shù)不銹鋼。
5）化學(xué)活性大。鈦與大氣中的 O、N、CO2、水蒸氣和氮?dú)獾犬a(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)含碳量大于 0.2% 時(shí)，在鈦合金中形成硬質(zhì) TiC。溫度較高時(shí)，與 N 作用，也會(huì)形成 TiN 硬質(zhì)表層。在 600℃以上時(shí)， 鈦能吸收氧形成硬度較高的硬化層。鈦合金吸收氣體而產(chǎn)生硬脆表層的深度可達(dá)（0.1 ～ 0.15）mm，硬化程度比原來基體硬度高（20 ～ 30）%。鈦合金的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生“粘刀”。
6）熱導(dǎo)率很低。鈦的熱導(dǎo)率為 15.24W/m · K，是鐵的 1/5，鋁的 1/4。而各種鈦合金的熱導(dǎo)率更低， 一般為鈦的 50%。TC4 的 k 為 7.95 W/m · K。刀具刃口處切削熱不易傳出，刀刃磨損加劇。
7）彈性模量小。鈦合金（退火態(tài) M）的彈性模量 E 為 110GPa，約為一般鋼材的 1/2，切削時(shí)徑向力易使工件產(chǎn)生彎曲變形，引起振動(dòng)，加大刀具磨損， 也對(duì)零件精度造成影響。
鈦合金切削的特點(diǎn)
鈦合金加入高強(qiáng)度、高硬度合金元素，添加元素愈多，愈難于切削加工。鈦合金的最適宜的切削加工硬度范圍為（32 ～ 38）HRC ，在硬度高于 38HRC 時(shí)， 刀具磨損嚴(yán)重，切削加工困難 ；低于 32HRC 時(shí)，易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也不易切削。鈦合金材料難于切削加工，除了與硬度有關(guān)，還因其具有熱導(dǎo)率系數(shù)小、化 學(xué)活性大和彈性模量小等特性，導(dǎo)致其切削加工性能極其惡劣。
2.1 變形系數(shù)小
切削鈦合金的切屑變形系數(shù)略小于 1 或接近于 1。其塑性變形小和切屑收縮率小，高溫切削時(shí)，鈦由 α 相向 β 相轉(zhuǎn)變，而 β 相鈦的體積增大，引起切屑在前刀面滑動(dòng)摩擦路徑增長(zhǎng)。在高溫作用下，同時(shí)鈦屑吸收空氣中的 O、H 和 N，塑性降低，切屑不 再收縮，從而加速刀具磨損。
2.2 切削溫度高
鈦合金由于熱導(dǎo)率低，切削熱傳出困難，致使切削區(qū)溫度增高。在相同的切削條件下，其切削溫度比 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(qū)域內(nèi)不易傳出， 造成刀具升溫，刀刃磨損加快。
2.3 易形成硬脆表層
鈦合金的化學(xué)活性大，在高溫切削時(shí)，鈦吸收 N、 O 等氣體而產(chǎn)生硬脆表層。在切削過程中，產(chǎn)生切屑經(jīng)過刀具前刀面，并與前刀面緊密接觸而形成粘結(jié)層 (a) ；在切削過程中，在主切削刃附近會(huì)形成平行于切削刃的一系列的月牙洼 ；嚴(yán)重時(shí)，距主切削刃一定距離內(nèi)的刀具材料被剝離，形成凹坑 (b) ；因切削力的 波動(dòng)，導(dǎo)致刀具的刀尖部分發(fā)生微崩刃現(xiàn)象（c） 。
2.4 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。鈦合金在切削過程中通常形成鋸齒狀切屑， 可引起切削力隨時(shí)間的周期性波動(dòng)。由于刀具與切屑的接觸的長(zhǎng)度極短，使單位面積上的切削力卻增加， 容易造成刀具崩刃或局部崩刃。
2.5 刀具易磨損
鈦合金毛坯經(jīng)過鍛造、熱軋等方法加工后，形成硬而脆的不均勻外皮，切除硬皮是加工鈦合金的一大難點(diǎn)，極易造成刀具磨損。用硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金，對(duì)刀刃的磨損形貌主要有三種 ：粘結(jié)層 (a)、月 牙洼 (b) 和微崩刃 (c)。
合理選擇切削用量，是攻克鈦合金高效切削加工必備條件之一。鈦合金 TC4 是當(dāng)前使用廣泛的鈦合金之一，約占 75% ～ 85%。以 TC4 鍛件為研究對(duì)象， 選擇硬質(zhì)合金刀具并在數(shù)控車床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，車削過程中的切削力采用壓電式測(cè)力儀測(cè)量。
3.1 切削速度
在進(jìn)給量 0.12mm/r、切深 1.0mm 條件下，切削 TC4 鍛件，得出進(jìn)給抗力 Fx 隨著切削速度的增加而逐漸增加 ；切深抗力 Fy 和主切削力 Fz 隨著切削速度的增加先降低后增加 ，但波動(dòng)變化相對(duì)較弱。
3.2 進(jìn)給量
在切削速度50 m/min和切削深度1.0 mm條件下， 當(dāng)進(jìn)給量小于 0.13 mm/r 時(shí)，主切削力 Fz 隨著進(jìn)給量的增加而增加 ；進(jìn)給量為 0.097 mm/r 時(shí)，進(jìn)給抗力 Fx 明顯減小 ；進(jìn)給量為 0.084 mm/r 時(shí)，切深抗力 Fy 也明顯減小。當(dāng)進(jìn)給量從 0.13 mm/r 開始增加時(shí)， 切削力的波動(dòng)量減弱 ；由于高切削溫度引起的工件材料的軟化，導(dǎo)致進(jìn)給抗力和切深抗力的降低，進(jìn)給抗 力變化尤為明顯。因此，切削 TC4 鍛件切削力隨著進(jìn)給量的變化趨勢(shì) ，
3.3 切削深度
在切削速度 50 m/min 和進(jìn)給量 0.12 mm/r 條件下，在小切削深度下，刀尖圓弧不能夠完全參與到切削過程中，當(dāng)切削深度小于 0.8 mm 時(shí)，出現(xiàn)切削力的急劇增加。當(dāng)切削深度在（0.8 ～ 1.0）mm 時(shí)，由于較高的切削溫度提高了工件材料的高溫軟化率，導(dǎo)致切削力明顯的降低。在切削深度超過 1.0mm 時(shí)， 三個(gè)方向的切削力隨切深增加而增加。當(dāng)切深繼續(xù)增加時(shí)，主切削刃長(zhǎng)度隨之增加，切削熱的散熱面積也相應(yīng)增大，切削溫度隨切削深度增加變化不大，刀具前刀面的積屑瘤對(duì)切削力影響也不明顯。因此切削 TC4 鍛件時(shí)切削力隨著切削深度的變化趨勢(shì)，
總之，切削鈦合金材料時(shí)，隨著切削速度、進(jìn)給量和切削深度的增加，單位時(shí)間的切削量和刀具表面粘結(jié)鈦合金材料等條件會(huì)發(fā)生改變，最終將引起切削鈦合金的切削力隨著切削參數(shù)的變化而發(fā)生改變。因此，根據(jù)切削力的變化，合理選擇切削用量，從而提升對(duì)鈦合金的數(shù)控高效切削。
選擇硬質(zhì)合金刀具（山高 刀具材質(zhì) F40M），在剛性好、精度較高的數(shù)控機(jī)床上，對(duì)鈦合金 TC4 鍛件分別進(jìn)行車、鉆、銑等機(jī)加試驗(yàn)，得到切削鈦合金的參數(shù)范圍為 ：切削速度 Vc=（25 ～ 75）m/min， 進(jìn)給量 f ≤ 0.3mm/r，切削深度≤ 1.0mm。具體如何合理選擇切削用量，
數(shù)控加工鈦合金刀具用選
鈦合金按其退火組織可分為三類 ：α 相、β 相 和 α+β 相。α 鈦合金的切削性能相對(duì)較好，α+β 鈦合金次之，β 鈦合金最差。由于 TC4 材料力學(xué)性 能優(yōu)良，工藝性能較成熟，故針對(duì) TC4 進(jìn)行研究， 探索適合切削鈦合金的刀具材質(zhì)和刀具幾何參數(shù)等工藝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金的高效數(shù)控切削。
5.1 切削鈦合金的刀具材質(zhì)
切削加工鈦合金時(shí)，應(yīng)選用硬度高、耐磨性好、 抗彎強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高和與鈦合金親和作用小的刀具材質(zhì)。通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金是當(dāng)前比較適合加工鈦合金的刀具材質(zhì)，性價(jià)比高。應(yīng)選擇添加 TaC 或 NbC 的 YG 類細(xì)晶粒或超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，牌號(hào)有 YS2T、YG813、YG6X 等。涂層選擇 TiAlN、TiAlSi 和 TiAlN+CrC 涂層及金剛石涂層。如圖 6 所示。
5.2 切削鈦合金刀具的幾何參數(shù)
一般選前角 r0=5°～ 15°，后角 α0 ≥ 15°，主、 副偏角、刀尖半徑等的選用，要根據(jù)粗、精加工條件， 以及數(shù)控加工時(shí)工件表面粗糙度 Ra 的要求等進(jìn)行選 擇。具體見表 4。
切削鈦合金的切削液
試驗(yàn)得出，在加冷卻液潤(rùn)滑、濕切的條件下，可提高刀具耐用度和加工效率。為了降低切削溫度，應(yīng)在切削區(qū)澆注大量以冷卻為主的切削液。對(duì)切削液的熱導(dǎo)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(dǎo)率高 3 ～ 5 倍，比熱大 1 倍，汽化熱大約 10 倍，故水溶性和冷卻性能較好。在數(shù)控車削、銑削和鉆削時(shí)，常采用乳化液或采用添加極壓添加劑（含 S、P 和 Cl）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。
數(shù)控加工鈦合金的注意事項(xiàng)
1）在所有數(shù)控加工過程中，尤其粗加工，在條件允許時(shí)加切削液，有助于刀具降溫、潤(rùn)滑及吹屑， 盡量避免干切削。
2）用端銑刀銑削平面時(shí)，數(shù)控加工優(yōu)先選擇順銑 (a) 和不對(duì)稱 銑 (b)， 不對(duì)稱銑的偏心距 ae=(0.04 ～ 0.1)d(d 為刀具直徑 )。對(duì)個(gè)別普通機(jī)床絲杠螺母間隙大，鑲條松，不利于順銑時(shí)，可以采用逆銑（c）方式加工，但適當(dāng)調(diào)整切削參數(shù)
3）數(shù)控加工時(shí)，進(jìn)給量對(duì)工件加工表面粗糙度影響最大，其次是切削深度，最次是切削速度。工件表面粗糙度隨進(jìn)給量增加而增加，隨著切削速度和切削深度的增加均減少。
4）切削鈦合金材料，減小徑向力使工件產(chǎn)生的彎曲變形，降低振動(dòng)，保證零件精度，應(yīng)選擇剛性好的設(shè)備和刀具等工藝系統(tǒng) ；同時(shí)盡量減小對(duì)工件的夾緊力，使夾緊確保工件的相對(duì)位置即可。
鈦合金材料在軍用裝備領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣。針對(duì)其較難切削加工的機(jī)理特點(diǎn)，根據(jù)工件形狀等技術(shù)要求，在優(yōu)先選擇數(shù)控加工機(jī)床和工件裝夾等工藝系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過合理選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)、 切削液及切削用量等手段，并采用試切的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金材料的高效加工。
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