鈦合金加工的現(xiàn)狀與展望

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1、鈦合金加工的現(xiàn)狀與展望鈦合金加工的現(xiàn)狀與展望同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所(上海200092)張曙譚惠民鈦合金及其在工業(yè)中的應(yīng)用鈦具有強(qiáng)度高,重量輕和優(yōu)異的耐腐蝕性,解決了很多的工程難題.如鈦比鋼的強(qiáng)度高30%以上,但重量輕近50%;鈦比鋁重一倍,但強(qiáng)度高60%.鈦合金是鋁,錳,鐵,鉬和其他金屬的合金,以增加鈦的強(qiáng)度和耐高溫性能,分為一鈦合金,13.鈦合金,o【13一鈦合金和較新的鈦鋁合金,其中Gcp一鈦合金(Ti6A14V)應(yīng)用最為廣泛.鈦合金的高耐蝕性也是一種寶貴的特點(diǎn),當(dāng)暴露于大氣中時(shí),鈦能形成抗拒許多腐蝕

2、性物料的氧化膜.鈦合金憑借其優(yōu)越的屬性,特別是強(qiáng)度重量比很高,在新興的航空航天工業(yè)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用.例如,機(jī)身的結(jié)構(gòu)部件,起落架,液壓系統(tǒng),航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等.近年來在新型飛機(jī)上,鈦合金材料所占的比例已經(jīng)由5%提高到14%以上.火箭,導(dǎo)彈和飛船的鈦合金零部件所占比例更高.航空航天工業(yè)是鈦及其合金產(chǎn)品的最大市場.隨著鈦合金的成本降低,使其工業(yè)應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到造船工業(yè),例如潛艇,船舶螺旋槳,索具和其他需要高耐腐蝕性的零部件.此外,由于鈦與人體組織的親和性,正在越來越多地用于醫(yī)學(xué)工程,成為人體植入物和骨骼修復(fù)的

3、主要材料.在汽車工業(yè),近年來開始使用鈦合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣門,連桿,車輪輪轂螺釘,排氣系統(tǒng)和懸掛彈簧.鈦合金組件可在增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩的同時(shí)2;20ww7~,字me籮tol7worklnllg$O.com爭磊.冷加工'',V,一…提高燃油經(jīng)濟(jì)性,并解決噪聲和振動(dòng)的問題.鈦合金零部件降低材料重量約50%,并大幅度提高其使用壽命.鈦懸掛彈簧不僅降低重量70%,而且允許增加有效載荷和更大的乘用空間.雖然鈦合金一直是被認(rèn)為是昂貴的材料,但隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展及工業(yè)市場的消費(fèi)量增加,使其成本陡然降低,應(yīng)用前景極其廣闊.按照

4、以往的經(jīng)驗(yàn),鈦合金被視為難加工材料,令人望而生畏.但是,隨著鈦合金應(yīng)用的日漸普及,人們對(duì)鈦合金加工機(jī)理的認(rèn)識(shí)逐步深入,針對(duì)鈦合金加工的新刀具和新機(jī)床的出現(xiàn),以及加工經(jīng)驗(yàn)的積累,現(xiàn)在已經(jīng)具備了堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)和裝備條件.可以認(rèn)為,鈦合金的加工已經(jīng)不比加工高合金不銹鋼難.本文將從鈦合金加工工藝,刀具和機(jī)床幾方面,介紹鈦合金加工的最新進(jìn)展.鈦合金的加工工藝和刀具為什么我們認(rèn)為鈦合金是一種難加工材料?因?yàn)閷?duì)其加工機(jī)理和現(xiàn)象缺乏深刻的認(rèn)識(shí).1.鈦加工的物理現(xiàn)象鈦合金加工時(shí)的切削力只是略高于同等硬度的鋼,但是加工鈦合金的物

5、理現(xiàn)象比加工鋼要復(fù)雜得多,從而使鈦合金加工面臨巨大的困難.大多數(shù)的鈦合金的熱導(dǎo)率很低,只有鋼的1/7,鋁的1/16.因此,在切削鈦合金過程中產(chǎn)生的熱量不會(huì)迅速傳遞給工件或被切屑帶走,而集聚在切削區(qū)域,所產(chǎn)生的溫度可高達(dá)1000℃以上,使刀具的刃口迅速磨損,崩裂和生成積屑瘤,快速出現(xiàn)磨損的刀刃,又使切削區(qū)域產(chǎn)生更多的熱量,進(jìn)一步縮短刀具的壽命.切削過程中產(chǎn)生的高溫同時(shí)破壞了鈦合金零件的表面完整性,導(dǎo)致零件幾何精度下降和出現(xiàn)嚴(yán)重減少其疲勞強(qiáng)度的加工硬化現(xiàn)象.鈦合金的彈性對(duì)零件性能來說可能是有益的,但是在切削過程中

6、,工件的彈性變形是產(chǎn)生振動(dòng)的重要原因.切削壓力使"彈性"的工件離開刀具和反彈,從而使刀具與工件之間摩擦現(xiàn)象大于切削作用.摩擦過程也會(huì)產(chǎn)生熱,加重了鈦合金導(dǎo)熱性不良問題.加工薄壁或環(huán)形等易變形零件時(shí),這個(gè)問題就更加嚴(yán)重,將鈦合金薄壁零件加工到預(yù)期的尺寸精度不是一件容易的事.因?yàn)殡S著工件材料被刀具推開時(shí),薄壁的局部變形已經(jīng)超出彈性范圍而產(chǎn)生塑性變形,切削點(diǎn)的材料強(qiáng)度和硬度明顯增加.此時(shí),按照原先確定的切削速度加工就變得過高,進(jìn)一步導(dǎo)致刀具急劇磨損."熱"是鈦合金難加工的"罪魁禍?zhǔn)?12.加工鈦合金的工藝訣竅在理解

7、鈦合金加工機(jī)理的基礎(chǔ)上,加上以往的經(jīng)驗(yàn),加工鈦合金的主要工藝訣竅如下:(1)采用正角型幾何形狀的刀片,以減少切削力,切削熱和工件的變形.(2)保持恒定的進(jìn)給以避免工件的硬化,在切削過程中刀具要始終處于進(jìn)給狀態(tài),銑削時(shí)徑向吃刀量矗應(yīng)為半徑的30%,如圖1所示.保持切削狀態(tài)Ⅱ=O.3圖1切削過程要始終處于進(jìn)給狀態(tài)(3)采用高壓大流量切削液,以保證加工過程的熱穩(wěn)定性,防止因溫度過高導(dǎo)致工件表面變性和刀具損壞.(4)保持刀片刃口鋒利,鈍的刀具是熱集結(jié)和磨損的原因,容易導(dǎo)致刀具失效.(5)盡可能在鈦合金最軟的狀態(tài)加工,

8、因?yàn)榇阌埠蟛牧献兊酶y加工,熱處理提高了材料的強(qiáng)度并增加刀片的磨損.(6)使用大的刀尖圓弧半徑或倒角切入,盡可能把更多的刀刃進(jìn)入切削.這可以減少每一點(diǎn)的切削力和熱量,防止局部破損.在銑削鈦合金時(shí),各切削參數(shù)中切削速度對(duì)刀具壽命y.的影響最大,徑向吃刀量(銑削深度)次之,如圖2所示.I—●■■■■—■■■■l——■—■●●■—●a.l■■■——■■■—■一f————■■■—■II■——■—●——■-z

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