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好文分享,鈦合金切削質(zhì)量的影響因素與改進措施

發(fā)布時間:2021-12-09點擊:1746

從大氣、材料性能和含碳量三方面因素對鈦合金切削性能進行分析,同時針對以上影響因素提出了相應(yīng)的改進措施,為飛機制造和修理過程中鈦合金結(jié)構(gòu)的切削加工奠定了理論和實踐基礎(chǔ)。

鈦合金材料具備比強度高、耐高溫性好、抗腐蝕等優(yōu)良的物理、化學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、海洋、能源和交通運輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代飛機對隱身性能、抗疲勞性能和高強輕質(zhì)等性能要求的不斷提高,鈦合金在飛機制造領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,飛機上采用機械加工的零部件所占的比例也相應(yīng)增加,但基于鈦合金本身的物理性質(zhì),其切削加工性較差,加工過程中導(dǎo)熱性較差,切削時材料黏度較大,導(dǎo)致大量鈦合金關(guān)鍵零件、重要零件的切削難度非常大,加工精度不容易保證,因此在飛機制造和修理領(lǐng)域中解決上述鈦合金精密切削過程中存在的問題,對突破鈦合金機械加工的技術(shù)瓶頸至關(guān)重要。

1.鈦合金零件切削加工的影響因素
鈦合金不同于鋁合金、合金鋼和鎂合金等金屬材料,在高速切削情況下,無法保證其加工精度和加工質(zhì)量。造成其加工難度大的影響因素主要有以下兩個方面:一是材料的固有屬性;二是航空結(jié)構(gòu)件的特殊性能要求。

鈦合金材料的固有屬性體現(xiàn)在以下三方面:①由于鈦合金的導(dǎo)熱性差,摩擦因數(shù)大,導(dǎo)致切削熱不易傳出,且集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小區(qū)域內(nèi)。高溫下切削刃的硬度降低,造成刀具壽命的縮短,嚴重時會直接影響加工零件的精度。②鈦元素化學(xué)性質(zhì)活潑,在300℃以上,鈦原子容易與大氣中的氫、氧及氮等非金屬元素發(fā)生強烈的化學(xué)反應(yīng),形成表面硬化層,在切削熱的作用下,該部位溫度升高,更容易與空氣中的CO2和油脂中的碳元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng),當含碳量>0.12%時,會形成TiC硬質(zhì)碳化物,進而加速切削過程中刀具的磨損。③鈦合金對含鈦元素的刀具材料具有十分強烈的化學(xué)親合作用。④彈性模量E數(shù)值較小,抗拉強度與屈服強度比值較小,進而導(dǎo)致在機械加工過程中刀具會隨著工件的轉(zhuǎn)動發(fā)生較大的回彈,從而增加了切削摩擦力,加速刀具磨損,影響加工精度。

鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的特殊性要求,主要體現(xiàn)在以下三方面。

1)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較大,切削精度與質(zhì)量有嚴格的要求。

2)在滿足抗拉強度、屈服強度、疲勞強化和彈塑形極限等材料特性的前提下,為了進一步滿足飛機局部對靜載和動載強度的要求,筋板加強結(jié)構(gòu)和薄壁槽腔結(jié)構(gòu)在飛機結(jié)構(gòu)中比較常見,如果采用機械加工方式進行成形制造,從板料到成品,去除量很大,加工過程也容易產(chǎn)生較大變形,產(chǎn)品精度難以保證。如圖1所示為某型飛機TA15鈦合金防護柵局部示意圖,圖2為薄壁槽腔結(jié)構(gòu)示意圖。

3)加工應(yīng)力大,易變形,加工尺寸難保證。如圖3所示為TC6鈦合金長軸類零件圖,該零件具有加工成本昂貴、尺寸要求精密、外形復(fù)雜、加工難度大、除屑率高、加工應(yīng)力大及易變形等特點。產(chǎn)品在加工過程中要考慮應(yīng)力變形因素的影響,否則極易因變形造成報廢。該產(chǎn)品長軸車削加工以及磨削同軸度、圓跳動的保證是研究的重點,對技術(shù)手段、生產(chǎn)條件都提出了很高的要求。

2.鈦合金切削加工改進措施
為了保證鈦合金零件的切削加工質(zhì)量,基于此類材料切削性能的影響因素,可以從刀具選擇、切削參數(shù)調(diào)整和工裝夾具設(shè)計三個方面對切削性能進行改進。

1)刀具材料的選擇 

根據(jù)鈦合金材料的屬性特點,刀具的選擇應(yīng)從降低切削溫度、減少粘刀磨損等方面來考慮。

根據(jù)硬質(zhì)合金刀具材料的組成特點,YT類刀具中含有Ti元素,對待加工的鈦合金零件具有親和作用,容易“粘刀”,損壞刀尖,因此加工鈦合金時,不應(yīng)該選擇YT類硬質(zhì)合金刀具。當采用l m/s以下的低速切削加工時,選用YG類刀具。為了保障鈦合金的高速切削質(zhì)量,加快加工過程中切削熱量的散去,可以采用YG8刀具進行粗加工和斷續(xù)加工,選用YG3刀具進行精細加工和連續(xù)加工。

基于以上的論述,鈦合金刀具材料需要滿足以下特點:①高硬度且具備足夠的強度和韌性。②高耐磨性。③刀具材料與鈦合金親合能力差,不與鈦合金材料發(fā)生熔敷、擴散。

(2)合理的切削參數(shù)選擇與工序安排 

刀具切削參數(shù)的選擇對鈦合金加工過程的可靠性和加工質(zhì)量有著重要的影響,尤其是切削前角、切削后角和切削刃圓弧半徑。切削刀具和切削前角γo、后角αo示意如圖4所示。

在切削過程中,切削摩擦生熱,一部分機械能轉(zhuǎn)化為了熱能,且鈦合金導(dǎo)熱能力較差,熱量集中,導(dǎo)致切削工件溫度升高,溫度升高后新鮮的切削金屬表面與空氣中的氧、氫、氮等元素發(fā)生反應(yīng),形成了硬而脆的化合物,切削難度增大,故刀具會發(fā)生磨損且磨損位置是前刀面。根據(jù)力學(xué)計算,數(shù)值較小的前角γo可以降低作用在前刀面上的摩擦力,進而有效降低刀具磨損。此外,降低前角γo的數(shù)值,可增加切屑與前刀面的接觸面積,既能降低刀尖部位的應(yīng)力集中,又能加快散熱,進而降低切削過程中的崩刀幾率。研究表明,當前角γo為28°~30°時,刀具的耐用度***高。切削后角αo作為鈦合金機加過程***敏感的參數(shù),αo數(shù)值越大,刃口越易切入金屬層,但αo數(shù)值過大時,切削刃容易崩碎。根據(jù)加工經(jīng)驗,后角αo選取15°,既可保證切削刃的鋒利性,也可降低刀尖的溫度,增加刀具的耐用性。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗,切削刃圓弧半徑r增大,可以減少刀具的崩落現(xiàn)象。這是因為切削圓弧的曲率半徑增大,切削應(yīng)力集中系數(shù)下降,進而降低加工應(yīng)力,并提高了刀具使用壽命。

由于鈦合金材料強度高,導(dǎo)熱系數(shù)低,因此在切削加工過程中,易于在切削區(qū)域形成高溫,散熱慢,不利于熱平衡,散熱和冷卻效果很差,加工后零件變形回彈大,因該原因引起的變形,導(dǎo)致多次加工的零件成批報廢。為了避免該問題的發(fā)生,可以從加工工序上進行合理安排。經(jīng)過反復(fù)的測試與驗證,加工鈦合金零件需要小進給量切削,并且預(yù)留0.5~1mm加工余量,經(jīng)過消除應(yīng)力熱處理后,才能進行精加工,精加工后還需進行消除應(yīng)力熱處理,這樣可以有效解決加工應(yīng)力變形問題。

(2)工裝夾具設(shè)計 

以圖3所示的鈦合金TC6長軸類零件為例,該零件在切削加工后需要鍍硬鉻后保證φ34h8要求,通過***兩端頂起外磨兩處φ34h8后測量發(fā)現(xiàn),兩端φ34h8尺寸圓跳動超差,并且鈦合金切削過程中機床***產(chǎn)生磨損,但更換硬質(zhì)***后,產(chǎn)品兩端***產(chǎn)生磨損,通過添加潤滑油等方式均無法解決該問題。經(jīng)過反復(fù)試驗與測試,鈦合金和機床***發(fā)生的磨損,使鈦合金具有從周圍大氣中吸收氧和氫的能力,產(chǎn)生組織的α化,并使加工表面強化,當更換的***硬度大于表面強化硬度時,產(chǎn)品本身就會發(fā)生磨損,而且在外圓磨床上加工的所有類型鈦合金均會出現(xiàn)該問題,加工現(xiàn)場如圖5所示。

為了避免機床***與產(chǎn)品產(chǎn)生互磨,將外圓磨床進行改造,兩***改裝為活***,如圖6所示。工件和***一起旋轉(zhuǎn),這樣就避免了機床在旋轉(zhuǎn)過程中與零件產(chǎn)生的摩擦,保證了產(chǎn)品的同軸度,而且解決了所有鈦合金外圓切削同軸度的問題。

3.結(jié)語
鈦合金切削質(zhì)量的影響因素有:大氣中的碳、氫、氧及氮等元素會造成“冷硬現(xiàn)象”;鈦合金的導(dǎo)熱性差,嚴重影響切削刀具壽命和加工精度;碳元素的引入造成鈦合金的可切削性下降,同時加速刀具磨損;鈦合金對“含鈦元素”的刀具的化學(xué)親合作用會加速刀具磨損。針對以上影響因素,合理選擇刀具材料、切削參數(shù)、工序和工裝夾具等,改善切削加工性能。

來源:金屬加工

 


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