機(jī)加工-鈦合金加工課程大作業(yè)

1、鈦合金切削加工鈦合金切削加工：鈦合金切削加工：金屬切削的基本概念鈦合金的性能特點(diǎn)鈦合金切削特點(diǎn)級(jí)改善方法鈦合金切屑時(shí)切屑控制鈦合金切削液選擇和切削力分析鈦合金刀具材料選擇鈦合金刀具幾何參數(shù)選擇鈦合金切削用量選擇鈦合金刀具磨損分析切削表面與切削運(yùn)動(dòng)切削表面與切削運(yùn)動(dòng)：切削用量三要素與切削層參數(shù)切削用量三要素與切削層參數(shù)切削速度進(jìn)給速度 、進(jìn)給量切削深度刀具切削部分的組成刀具切削部分的組成刀具的標(biāo)注角度刀具的標(biāo)注角度鈦合金性能特點(diǎn)鈦合金性能特點(diǎn):密度相對(duì)較小純鈦的密度為45kgm3具有很高的強(qiáng)度屈服強(qiáng)度低溫性能好,在低溫和超低溫下，仍能保持 其力學(xué)性能4.具有較強(qiáng)耐腐蝕能力5.高溫下鈦的化學(xué)活性高

2、6.與碳纖維復(fù)合材料不會(huì)產(chǎn)生接觸腐蝕鈦合金的優(yōu)點(diǎn)鈦合金的優(yōu)點(diǎn)：熱強(qiáng)度高： 熱穩(wěn)定性好、耐高溫，強(qiáng)度高比強(qiáng)度高： 密度45 gcm3左右，僅為鋼的60， 強(qiáng)度近于普通鋼的強(qiáng)度抗腐蝕性好：在潮濕的環(huán)境中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于 不銹鋼低溫性能好：在低溫和超低溫下，仍能很好地保持其力 學(xué)性能鈦合金切削特點(diǎn)鈦合金切削特點(diǎn)：變形系數(shù)小:加速刀具磨損切削溫度高:導(dǎo)熱系數(shù)很小,切削時(shí)產(chǎn)生的熱不易傳出單位面積上的切削力大:切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度 極短，單位接觸面上的切削 力大大增加4.冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重:鈦的化學(xué)活性大，容易吸收空氣中 的氧,加劇刀具磨損刀具易磨損切削加工性能的改善切削加工性能的改善:選用合理的刀具材料

3、合理的刀具幾何參數(shù)改善切削條件切削速度宜低，以免切削溫度過(guò)高切屑的控制加工時(shí)需要加冷卻液充分的冷卻鈦合金切屑控制:鈦合金在切削加工時(shí)容易產(chǎn)生鋸齒狀切屑，周期性的鋸齒狀切屑會(huì)引起切削力高頻波動(dòng)，從而影響加工表面質(zhì)量和刀具壽命。上圖中由于切削速度較低，應(yīng)變速率較小，剪切變形局域化還不是很明顯。此時(shí)形成的切屑是連續(xù)的或呈現(xiàn)微小鋸齒狀的帶狀切屑，切屑鋸齒狀不明顯。鈦合金切屑控制:鈦合金在切削加工時(shí)容易產(chǎn)生鋸齒狀切屑，周期性的鋸齒狀切屑會(huì)引起切削力高頻波動(dòng)，從而影響加工表面質(zhì)量和刀具壽命。上圖中當(dāng)切削速度增大到81.4m/min時(shí)，絕熱剪切帶中心已經(jīng)發(fā)生了變化。剪切帶中心的組織結(jié)構(gòu)域周圍有所區(qū)別，其特征

4、是晶粒非常細(xì)小。鈦合金切屑控制:鈦合金在切削加工時(shí)容易產(chǎn)生鋸齒狀切屑，周期性的鋸齒狀切屑會(huì)引起切削力高頻波動(dòng)，從而影響加工表面質(zhì)量和刀具壽命。當(dāng)切削速度增大到178.4m/min時(shí)，絕熱剪切帶與基體的界線明顯，在絕熱剪切帶中心與基體之間已經(jīng)看不到明顯的剪切變形滑移痕跡。鈦合金切削加工切削液基本概念：為了提高切削加工效果而使用的液體。(增加切削潤(rùn)滑，降低切削區(qū)溫度)。切削液各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于皂化油，它具有良好的冷卻、清洗、防銹等特點(diǎn)，并且具備無(wú)毒、無(wú)味、對(duì)人體無(wú)侵蝕、對(duì)設(shè)備不腐蝕、對(duì)環(huán)境不污染等特點(diǎn)。作用：1、潤(rùn)滑作用 2、冷卻作用3、清洗作用4、防銹作用5、其它作用 對(duì)細(xì)菌和霉菌有一定抵抗能力 不

5、損壞涂漆零件等等 有效的冷卻和合理的應(yīng)用切削液是提高生產(chǎn)率和改善被加工零件表面質(zhì)量的主要方向之一。 切削液的分類 常用的切削液分為水溶性切削液和油溶性切削液兩大類。1、水溶性切削液 水溶性切削液主要有水溶液、乳化液和化學(xué)合成液三種。 具有良好的冷卻、清洗作用。2、油溶性切削液 油溶性切削液主要有切削油和極壓切削油兩種， 主要起潤(rùn)滑作用。 鈦合金切削液：1、俄羅斯技術(shù)人員為了提高鈦合金機(jī)械加工的生產(chǎn)效率，采用鹵素潤(rùn)滑冷卻液，并大量澆注冷卻液進(jìn)行冷卻。應(yīng)用鹵素冷卻液將導(dǎo)致鈦合金零件表面生成一層鹽外殼，在溫度和應(yīng)力共同作用下引起鹽腐蝕。因此，采用該冷卻液冷卻加工的零件加工后，要進(jìn)行去除表層厚度000

6、5 mm一0010 mm的調(diào)質(zhì)酸洗。注意：在裝配工序中進(jìn)行鈦合金零件的加工時(shí)不允許使用該冷卻液。2、巴西的技術(shù)人員用合成乳化液和純油作為切削液，分別和CBN砂輪組合進(jìn)行磨削試驗(yàn)，結(jié)果表明純油和CBN砂輪的組合能夠提高磨削效率。3、鈦合金的切削液：宜選用合成水溶性乳化液，切削加工時(shí)冷卻液要充分，冷卻液循環(huán)速度要快，切削液流量和壓力要大。4、鈦合金加工最好不用含氯的冷卻液，避免產(chǎn)生有毒物質(zhì)和引起氫脆，也能防止鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂。鈦合金切削加工切削力 基本概念：金屬切削時(shí)，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形并成為切屑所需的力，稱為切削力。 切削力的來(lái)源： 切削力來(lái)源于三個(gè)方面：1克服被加工材料對(duì)

7、彈性變形的抗力；2克服被加工材料對(duì)塑性變形的抗力；3克服切屑對(duì)前刀面的摩擦力和刀具后刀面對(duì)過(guò)渡表面與已加工表面之間的摩擦力。 切削合力及其分解 1、主切削力Fz（切向力）：主運(yùn)動(dòng)切削速度方向的分力。 Fz是最大的一個(gè)分力，它消耗了切削總功率的95%左右，是設(shè)計(jì)與使用刀具的主要依據(jù)，并用于驗(yàn)算機(jī)床、夾具主要零部件的強(qiáng)度和剛度以及機(jī)床電動(dòng)機(jī)功率。2、切深抗力Fy（徑向力）：切深方向的分力。 Fy不消耗功率，但在機(jī)床一工件一夾具一刀具所組成的工藝系統(tǒng)剛性不足對(duì)，是造成振動(dòng)的主要因素。3、進(jìn)給抗力Fx（軸向力）：進(jìn)給方向的分力。 Fx消耗了總功率5%左右，它是驗(yàn)算機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要零、部件強(qiáng)度和剛性的依

8、據(jù)。 注：在銑削平面對(duì)，上述分力亦稱為：Fr切向力、Fy徑向力、Fx軸向力。sinkcosk,x222xyxyyzyxzxyFFFFFFFFFF，其中鈦合金切削力的變化規(guī)律 實(shí)踐證明，鈦合金切削力的影響因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)、刀具材料、刀具磨損狀態(tài)和切削液等。 工件材料（1）硬度或強(qiáng)度提高，剪切屈服強(qiáng)度s增大，切削力增大（2）塑性或韌性提高，切屑不易折斷，切屑與前刀面摩擦增大，切削力增大。 背吃刀量（切削深度） 進(jìn)給量增大，切削層面積增大，變形抗力和摩擦力增大，切削力增大。 由于背吃刀量對(duì)切削力的影響比進(jìn)給量對(duì)切削力的影響大，所以在實(shí)踐中，當(dāng)需切除一定量的金屬層時(shí)，為

9、了提高生產(chǎn)率，常采用增大進(jìn)給切削量代替增大切深切削量 切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律 由圖4可以看出，在較低的速度范圍內(nèi)(100 mmin)，切削力隨著切削速度的增加有明顯的小幅上升。在中高速范圍內(nèi)(100300mmin)，隨著切削速度的增加，切削力變化不大，而當(dāng)切削速度繼續(xù)增大、超過(guò)300 mmin時(shí)，隨著切削速度的增大切削力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。PCD刀具高速切削TAl5時(shí)的各項(xiàng)切削力與切削速度的關(guān)系曲線 每齒進(jìn)給量對(duì)切削力的影響規(guī)律 由試驗(yàn)測(cè)得的各向切削分力與每齒進(jìn)給量的關(guān)系如圖所示。從中可以看出，主切削分力隨每齒進(jìn)給量的增大而增大。這是因?yàn)殡S著每齒進(jìn)給量的增大，切削厚度增大，而切削寬度不變，這時(shí)剪

10、切面積按比例增大，使得前刀面上的法向力隨之增加，與此同時(shí)，隨著每齒進(jìn)給量增大，切屑的平均變形系數(shù)變小，單位切削力降低，其結(jié)果是減緩主切削力的增大趨勢(shì)。PCD刀具高速切削TAl5時(shí)的各項(xiàng)切削力與每齒進(jìn)給量的關(guān)系曲線軸向切深對(duì)切削力的影響規(guī)律 由試驗(yàn)測(cè)得的各向切削分力與軸向切深的關(guān)系如圖所示： 從中可以看出，所有的切削力都隨軸向切深的增大而增大。這是因?yàn)殡S著軸向切深增大，切削寬度也增大，剪切面面積和切屑與前刀面的接觸面積按比例增大，第一變形區(qū)和第二變形區(qū)的變形與摩擦相應(yīng)增大。當(dāng)軸向切深增大一倍時(shí)，主切削力和徑向分力也約增大一倍。PCD刀具高速切削TAl5時(shí)的各項(xiàng)切削力與每齒進(jìn)給量的關(guān)系曲線刀具材料

11、的選擇刀具材料的選擇鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具:G8、YG3、YG6X、YG6A、YS2T、 YDl5刀片耐磨性提高，抗彎強(qiáng)度、 硬度也有所提高高速鋼刀具:W2Mo9Cr4VCo8、W12Cr4V4Mo、 W6Mo5Cr4V2Al金剛石和立方氮化硼作刀具鈦鉭(鈮)鈷類硬質(zhì)合金：YW2;涂層刀具：多層CVD涂層硬質(zhì)合金刀各種刀具材料的硬度、韌性、強(qiáng)度各種刀具材料的硬度、韌性、強(qiáng)度分析：分析：硬度分析隨著溫度的升高，不論YG類還是YT類硬質(zhì)合金，其硬度都出現(xiàn)了顯著的下降. 不同牌號(hào)的硬質(zhì)合金在不同溫度下，其硬度的下降程度也不同，鈷含量越多，硬度下降越快。各種刀具材料的硬度、韌性、強(qiáng)度各種刀具材料的硬度、韌

12、性、強(qiáng)度分析：分析：強(qiáng)度分析硬質(zhì)合金中鈷的含量增加，材料的抗彎強(qiáng)度有所提高，TiC的含量越高，材料的抗彎強(qiáng)度越差。各種刀具材料的硬度、韌性、強(qiáng)度各種刀具材料的硬度、韌性、強(qiáng)度分析：分析：韌性分析。硬質(zhì)合金中鈷的含量增加，沖擊韌性有所提高，TiC的含量越高，沖擊韌性越差。刀具的幾何參數(shù)的選擇：車刀車刀：外圓車刀及鏜刀，前角為1015，后角為814，刀尖圓弧半徑為02 mm06 mm(精車時(shí)取最大值)。螺紋車刀，前角為0，后角為10。成型車刀，前角為5，后角為10鉆頭鉆頭:采用較大的螺旋角為2530,鉆頭頂角為135140，鉆頭后角為1215。銑刀銑刀:前角為68，后角為612，螺旋角為3540，

13、螺旋角前段為30(在1mm 12 mm上)，刀尖圓弧半徑R為0.5 mm0.6 mm。絲錐絲錐:前角為7。10。，切削錐部分后角為612，校正齒型面鏟后角1，切削錐角5730鉸刀鉸刀:鉸刀的后角為10，前角為35，切削刃寬度為0.15 mm。 刀具的幾何參數(shù)的選擇：鈦合金的切削加工性能鈦合金的切削加工性能1鈦合金的導(dǎo)熱性差鈦合金的導(dǎo)熱性差,加工時(shí)所產(chǎn)生的熱量很難散去加工時(shí)所產(chǎn)生的熱量很難散去鈦合金是鈦合金是屬于典型的難加工材料屬于典型的難加工材料。2 2鈦合金的化學(xué)活性很強(qiáng)，鈦合金的化學(xué)活性很強(qiáng)，鈦合金在鈦合金在 600 以上時(shí)以上時(shí), 與氣體發(fā)與氣體發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)3鈦合金

14、的彈性模量低鈦合金的彈性模量低, 彈性變形大彈性變形大, 接近后刀面處工件的回彈接近后刀面處工件的回彈量大量大，導(dǎo)致摩擦增大，導(dǎo)致摩擦增大 4由于鈦的親和性大、切削溫度高由于鈦的親和性大、切削溫度高，導(dǎo)致粘到現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致粘到現(xiàn)象嚴(yán)重5.鈦元素化學(xué)活性大易鈦元素化學(xué)活性大易與空氣中的氧和氮與空氣中的氧和氮形成污染層而導(dǎo)形成污染層而導(dǎo)致表層硬化。致表層硬化。切削加工性能的改善切削加工性能的改善（1）選用合理的刀具材料。刀具的選擇應(yīng)該選擇比較常見的，價(jià)格適中，耐磨性好，熱硬性高的，并且具有足夠的韌性的材料。通常選用硬質(zhì)合金。 （2）改善切削條件。機(jī)床夾具刀具的系統(tǒng)剛性要好，主軸的徑向跳動(dòng)要小，夾緊

15、力不能大，特別是在某些精加工工序時(shí)，必要時(shí)刻使用一定的輔助支撐。（3）合理的刀具幾何參數(shù)。采用較小的前腳和較大的后腳減小工件與后刀面的摩擦，刀尖采用圓弧過(guò)渡以提高強(qiáng)度。 切削加工性能的改善切削加工性能的改善 (4) 切削速度宜低，以免切削溫度過(guò)高；進(jìn)給量適中，過(guò)大容易燒刀過(guò)小則因刀刃在加工硬化層中 工作而磨損過(guò)快；（5）切屑的控制。在鈦合金的切削中切屑的控制是非常重要的，要保持刀刃的鋒利以保證排屑流暢，避免粘屑崩刃（6）對(duì)加工材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?(7)加工時(shí)需要加冷卻液充分的冷卻，冷卻液的循環(huán)速度要快。鈦合金加工時(shí)盡量不要使用含氯的冷卻液，避免產(chǎn)生有毒的物質(zhì)和引起氫脆，也能防止鈦合金高溫應(yīng)力

16、腐蝕開裂鈦合金的切削用量鈦合金的切削用量其主要的加工方法有銑削、車削磨削、鉆削、鉸削、攻絲等。其主要的加工方法有銑削、車削磨削、鉆削、鉸削、攻絲等。 銑削用量銑削用量: 銑削比車削困難，因?yàn)殂娤魇菙嗬m(xù)切削，并且切屑易于刀刃發(fā)生粘結(jié)更嚴(yán)重的可能造成崩刃現(xiàn)象，所以加工時(shí)最好采用順銑.鈦合金的切削用量鈦合金的切削用量 車削用量車削用量: 在刀具、切削用量、切削液選擇合理的情況下，鈦合金車削并不困難，與加工合金鋼接近。但車削鈦合金表面氧化皮較為困難一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄層氧化皮，然后車削剩余的氧化皮鈦合金的切削用量鈦合金的切削用量 磨削用量：磨削用量： 磨削加工可獲得較高精度，但由于鈦合金的

17、特有性質(zhì)決定了鈦合金磨削非常困難。因此應(yīng)盡量避免磨削加工，以精銑代替。鈦合金的切削用量鈦合金的切削用量 鉆削用量鉆削用量: 鈦合金的鉆削是比較困難的，常在加工過(guò)程中出現(xiàn)燒刀和斷鉆現(xiàn)象 鈦合金進(jìn)行鉆削和攻絲加工時(shí)最好不用含氯的冷卻液，避免產(chǎn)生有毒物質(zhì)和引起氫脆鈦合金的切削用量鈦合金的切削用量 鉸削用量鉸削用量: 鈦合金鉸孔是最后一道精加工工序，鉸削時(shí)應(yīng)不斷地注入冷卻潤(rùn)滑液以獲得較好的表面粗糙度，同時(shí)應(yīng)勤排屑，及時(shí)清除鉸刀刃上的切屑末。鈦合金的切削用量鈦合金的切削用量 攻絲用量：攻絲用量： 攻絲的切削用量只有速度(轉(zhuǎn)速)一項(xiàng)可選，鈦合金攻絲速度v為36m/min。攻絲時(shí)應(yīng)及時(shí)清除絲錐刃部毛刺、切屑末，以免損傷螺紋；攻絲時(shí)要勤退刀。刀具刀具磨損類型磨損類型：粘結(jié)磨損粘結(jié)磨損：鈦合金材料化學(xué)活性高， 與刀具的親和力強(qiáng)，在切削過(guò)程中， 切削刃逐漸脫落.擴(kuò)散磨損和氧化磨損擴(kuò)散磨損和氧化磨損：在高速切削下，鈦合金中的Ti元素 易向刀具中擴(kuò)散，和刀具中的C形 成TiC，使硬質(zhì)合金表面脫碳， 引起刀具表層強(qiáng)度下降.微崩刃和溝槽磨損微崩刃和溝槽磨損：鈦合金工件中的硬質(zhì)點(diǎn)(Fe和Si) 與粘結(jié)共同作用會(huì)最終導(dǎo)致PCD 刀具