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航空航天钛合金材料加工的工艺

来源:      2018-08-02 11:13:50      点击:

  飞机近年来,对汽车和飞机零件高强度化和轻量化的要求越来越高。因此,这些零件所使用材料中的钛、镍合金等也在不断增加。这种材料一般称为切削加工性差的‘难切削材料’。加工此类材料的切削刀具也必须能够适应难切削材料特有的加工条件和加工方法。飞机机身部件以及喷气发动机的压缩机零部件越来越多地采用了钛合金。在波音公司最新型的B787-8喷气客机中,每架飞机的钛合金使用量已增加到10吨左右。目前,金属钛生产的工业方法是可劳尔法,产品为海绵钛。制取钛材传统的工艺是将海绵钛经熔铸成锭,再加工而成钛材。

  钛合金的优点:①重量轻;②比强度高;③耐金属疲劳;④化学性能稳定。钛合金的缺点:①切削加工性差;②温度超过400℃则强度降低(因此用于发动机的低温部分)。钛和钛合金塑性加工具有变形抗力大;常温塑性差、屈服极限和强度极限比值高、回弹大、对缺口敏感、变形过程易与模具粘结、加热时又易吸咐有害气等特点,塑性加工较钢、铜困难。故钛和钛合金的加工工艺必须考虑它们的这些特点。

  钛合金的加工方法

  (1) 将刀尖温升控制到最小程度

  ①切削速度不宜过高(40~60m/min)

  切削速度过高会产生大量切削热,导致刀具寿命降低,因此应避免采用过高的切削速度。

  ②缩短刀具与工件的接触时间

  刀具与工件接触时间越长,产生的热量就越多,会导致刀具寿命降低。而刀具直径越大,接触时间就越长,因此在允许的范围内,应尽可能使用小直径刀具。

  ③不宜加大切削宽度

  切削宽度越大,接触时间越长,会增加发热量。因此,加工时不宜加大切削宽度,而通过增加切削长度来提高加工效率。使用长刃刀具等对于粗加工很有效。切削宽度小的台肩铣削能减少切削热,使提高切削速度成为可能。

  ④使用45°主偏角刀具

  只要工件形状允许,应尽可能使用45°主偏角的刀具,以减薄切屑,延长刀具寿命。

  ⑤充分使用切削液,提高冷却效果

  充分使用切削液,尤其是15MPa以上的超高压切削液,以降低刀尖温度、改善切屑处理效果、防止产生积屑瘤。从而能够提高切削速度和生产率。

  (2)提高刀具刚性

  通过缩短刀具悬伸长度、增大刀具直径,可提高刀具刚性、减小刀具挠曲度。在因工件形状必须采用较大悬伸量的场合,应用插铣加工也很有效。

  (3)锯齿切削刃刀具的使用

  由于锯齿切削刃可减小接触宽度,从而可减少热量的产生。此外,切削液可从锯齿之间到达被切削面,因此锯齿切削刃刀具对钛合金的加工十分有效。

  钛的各种属性使之成为具有强大吸引力的零件材料,但其中许多属性同时也影响着它的可加工性。钛具备优良的强度-重量比,其密度通常仅为钢的60%。钛的弹性系数比钢低,因此质地更坚硬,挠曲度更好。钛的耐侵蚀性也优于不锈钢,而且导热性低。这些属性意味着钛金属在加工过程中会产生较高和较集中的切削力。它容易产生振动而导致切削时出现震颤;并且,它在切削时还容易与切削刀具材料发生反应,从而加剧月牙洼磨损。此外,它的导热性差,由于热主要集中在切削区,因此加工钛金属的刀具必须具备高热硬度。

  某些机加工车间发现钛金属难以有效加工,但这种观点并不代表现代加工方法和刀具的发展趋势。之所以困难,部分是因为钛金属加工是新兴工艺,缺少可借鉴的经验。此外,困难通常与期望值及操作者的经验相关,特别是有些人已经习惯了铸铁或低合金钢等材料的加工方式,这些材料的加工要求一般很低。相比之下,加工钛金属似乎更困难些,因为加工时不能采用同样的刀具和相同的速率,并且刀具的寿命也不同。即便与某些不锈钢相比,钛金属加工的难度也仍然要高。我们固然可以说,加工钛金属必须采取不同的切削速度和进给量以及一定的预防措施。其实与大多数材料相比,钛金属也是一种完全可直接加工的材料。只要钛工件稳定,装夹牢固,机床的选择正确,动力合适,工况良好,并且配备具有较短刀具悬伸的ISO50主轴,则所有问题都会迎刃而解——只要切削刀具正确的话。