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如何选用刀具材料及钛合金切削加工特点分析
　　钛合金以优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐腐蚀性，被誉为是一种使人类走向太空时代的战略性金属材料，不仅在航空航天及军工领域得到广泛的使用，而且开始逐渐渗透到经济生活的各个方面。随着中国航空航天事业的发展，钛合金的加工技术受到更多的关注和研究。　　　　钛合金的分类　　　　钛合金按照不同的方法有不同的分类，最常用的分类方法是按退火后组织特点分类，可分成&、&+&、&型钛合金[1-4]。　　　　&型钛合金密度小，有很好的热强性和热稳定性，焊接性能好，室温、超低温和高温性能良好，但不能进行热处理强化。例如TiAl在600℃时，仍然有很高的强度，而且蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等方面都有好的表现，常用于喷气发动机涡轮盘和叶片的制造。　　图1钛合金航空发动机叶轮　　　　&+&型钛合金双相合金，组织稳定，韧性、塑性和高温变形性能随着&相稳定元素的增加而提高；有较好的热压力加工性，能进行淬火时效使合金强化，热处理后的强度约比退火状态提高50％~100％；高温强度高，可在400~500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于&钛合金。&+&型钛合金中Ti-6Al-4V（中国牌号TC4）是钛合金中使用量最大的钛合金，在美国，其产量占钛合金产量一半以上，以其优良的综合力学性能和切削加工性大量用于航空零件制造[5-9]。图1为钛合金航空发动机叶轮。　　　　&钛合金是&相固溶体组成的单相合金，室温的强度较高，冷加工和冷成型加工能力强，未热处理即具有较高的强度，淬火时效后合金强度得到进一步强化，室温强度可达MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用[10-13]。　　　　钛合金切削加工的特点　　　　钛合金本身所具有的物理和化学性能给切削加工带来了困难，具体表现有以下6点。　　　　（1）钛合金的导热性差，是不良导热体金属材料。由于导热、导温系数小，是45号钢的1/6，所以在加工时所产生的高热量不能有效扩散，同时刀具的切削刃和切屑的接触长度短，使热量大量聚集在切削刃上，温度急剧上升，导致刀刃的红硬性下降，刀刃软化，加快刀具磨损[14]。　　　　（2）钛合金的亲和力大。钛合金在加工中黏刀现象严重。增大了刀体与工件的摩擦，摩擦导致大量的热，降低了刀具的使用寿命。　　　　（3）高的化学活性。在加工中，随着切屑温度的升高，容易与空气中的O、N、CO、CO2、H2O等发生反应，使间隙元素O、N的含量增加，工件的表面氧化变硬，难以加工，增大了刀具单位面积上所承受的切削力，刀尖应力变大，同时使前刀面和后刀面与工件的摩擦加剧，这将导致刀刃迅速磨损或崩刃[15]。　　图2硬质合金刀具　　　　（4）钛合金的变形系数不大于1。在切削加工中，刀-屑接触面积小，增大了切屑和前刀面的摩擦，提高了切削温度，加快了刀具前刀面磨损。　　　　（5）钛合金的弹性模量小，在切削中容易产生较大变形、回弹、扭曲和振动，造成加工件几何形状和精度差，表面粗糙度增大，刀具磨损增加。　　　　（6）不同的加工方法，钛合金的加工难度不同。按机械加工由易到难排序为：车削、铣削、钻削、磨削。其中钻小直径深孔更困难[16]。　　　　钛合金切削加工的刀具材料　　　　钛合金加工的高成本是阻碍其广泛使用的主要原因，寻求一种高效率、低成本的加工方法已成为当今钛合金研究的热点。刀具材料的选择对于钛合金的加工有很大影响。加工钛合金的理想刀具材料必须同时具备较高的热硬度，良好的韧性、耐磨性，高的导热系数和较低的化学活性，在铣削时，刀具还应具有良好的抗冲击性。　　　　当今在生产实际中用来加工钛合金的刀具材料主要有：硬质合金、聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）等。经过生产实际验证，硬质合金和PCD刀具被认为是加工钛合金比较理想的刀具材料[17]。　　图3聚晶金刚石（PCD）刀片　　　　1硬质合金刀具　　　　硬质合金刀具（见图2）是目前加工钛合金应用最为广泛的一种刀具。因其低廉的价格、优良的导热性、较高的硬度、韧性和红硬性己成为国内企业加工钛合金的首选。硬质合金按晶粒的大小可分为普通硬质合金、细晶粒硬质合金和超细晶粒硬质合金；按化学成分可分为钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）和添加稀有碳化物类（YW）。由于钨钴钛（YT）类刀具和钛合金有强烈的亲和力，所以目前在工业生产中获得广泛应用的仍然是钨钴类硬质合金YG8、YG6、YG3等。如果使用添加的稀有金属的细晶粒硬质合金YA6、YD15、YG10H、YS2等，可提高刀具的寿命和加工效率。　　　　硬质合金加工钛合金速度可以达到45m/min以上[18]，但当切削速度继续增加时，刀具和工件接触面的温度迅速升高，同时由于Co的熔点较低，在高的切削温度及元素扩散作用下，造成了刀具材料中W和Co元素的扩散和流失，降低了刀具的硬度和韧性，使硬质合金刀具发生严重的塑性变形、粘结磨损和扩散磨损，导致刀具失效[19]，因此，硬质合金刀具只适合切削速度小于75m/min的钛合金[20]。　　　　2聚晶金刚石（PCD）刀具　　　　聚晶金刚石刀具（见图3）具有极高的硬度和耐磨性、刃口锋利、低摩擦系数、高弹性模量、高导热系数、以及与非铁金属亲和力小等优点。　　　　金刚石刀具主要有聚晶金刚石（PCD）刀具和化学气相沉积刀具（VCD）金刚石刀具。金刚石类刀具适用于钛合金的精加工和超精加工。金刚石的耐热温度只有700~800℃，加工时必须进行充分的冷却和润滑。试验表明[21]，在切削速度105m/min的情况下车削钛合金Ti-6A1-4V时，PCD刀具并没有发生粘结磨损，在刀具前、后刀面也都粘有较多钛合金，这些粘着物会被切屑慢慢带走，不会图2硬质合金刀具对切削刃带来损害，因为在刀具表面会形成一层薄薄的TiC层，这种TiC层很稳定，能很大程度降低PCD刀具前、后刀面的粘结和扩散磨损。但是由于PCD刀具刀尖锋利和切削温度高，在切削加工中更易发生微崩刃和石墨化引起的沟槽磨损。　　图4聚晶立方氮化硼PCBN车刀　　　　3聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具　　　　如图4所示为聚晶立方氢化硼PCBN车刀，PCBN刀具的硬度虽然略低于金刚石，但却远远高于其他高硬度材料，而且PCBN刀具热稳定比金刚石高得多，可达到1200℃以上，适合高温干切削。另一个优点是化学惰性大，与钛合金在1200℃不起化学反应。　　　　PCBN刀具加工钛合金与硬质合金刀具相比，有着切削速度高、表面粗糙度低和刀具寿命长等特点，并且在高速、低进给量、低背吃刀量的条件下，有更长的刀具寿命和非常好的工件加工表面粗糙度[22]，因此PCBN刀具更适合用作钛合金的精加工，但由于PCBN刀具脆性很大，在切削加工中应重视刀具可能产生的破损和崩刃问题[16]。　　　　钛合金切削加工的一般原则美国、日本、前苏联从20世纪60年代开始，由于军事工业和飞机制造业的需要，开始对钛合金的切削加工原则进行系统的研究，并获得了大量的成果。钛合金主要的切削原则有以下5点。　　　　（1）切削速度：切削速度是影响刀刃温度的重要因素。过高的切削速度会导致刀刃过热、刀刃粘结和扩散磨损严重，刀具重磨频繁，会缩短刀具寿命。同时会导致钛合金工件表面层开裂或氧化，影响其力学性能，所以应在保证较大的刀具耐用度的前提下，选择适当的切削速度，降低成本，保证加工质量。　　　　（2）进刀深度和走刀量：走刀量的变化对温度的变化不大，所以降低切削速度增大走刀量是合理的切削方式。如果有氧化层和皮下气孔层的情况，大的切深可以直接切到基体未氧化金属层，提高刀具的寿命[23]。　　　　（3）刀具的几何角度：在切削钛合金时选择与加工方法相适应的前角和后角等几何参数并对刀尖适当的处理，会对切削效率和刀具的寿命有重要的影响。试验证明，当车削时为了改善散热条件和增强切削刃，前角一般取5&~9&；为了克服因回弹而造成的摩擦，刀体的后刀面一般取10&~15&；当钻孔时，缩短钻头长度、增加钻心的厚度和导锥量，钻头的耐用度可提高好几倍[24]。　　　　（4）夹具的夹紧力：钛合金易变形，夹紧力不能过大，特别在精加工工序时，可以选择一定的辅助支承。　　　　（5）切削液：切削液是钛合金加工中不可缺少的工艺润滑油。切削液不仅可以有效降低切削温度，减少刀具和切削摩擦产生的热量，还可以充当切削过程的润滑剂，减少钛合金的切屑和刀具面的黏结，提高效率、降低成本，延长刀具的寿命。但不能使用含有氯或其他卤元素和含硫的切削液，这类切削液会对钛合金的力学性能产生不良影响[25]。　　　　结束语　　　　综上所述，钛合金因其优良的性能在航空航天工业的使用比例逐年增加，但受切削加工成本高和加工效率低的影响，目前应用仍然受到较大限制。随着刀具材料的研发和加工工艺的不断完善，钛合金的加工效率会大大地提高，加工成本将会明显下降，从而在造船、汽车制造、化工、电子、海洋开发等领域拥有广阔的应用前景。　　　　本文共有参考文献25篇，因篇幅所限，未能一一列出，请谅解!　　　　单位：沈阳理工大学机械工程学院作者：杜敏姜增辉冯吉路
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浅谈TC4钛合金的铣削加工
2013年20期目录
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　　【摘 要】根据TC4钛合金的难切削加工性，从铣削加工时铣刀、铣削用量、铣削方式、切削液等的选取方面，介绍基本的铣削加工工艺和注意事项。 中国论文网 /1/view-5779331.htm　　【关键词】TC4钛合金 铣刀 铣削用量 氧化层 　　一、引言 　　Ti6Al4V（以下简称TC4）是目前用量最大的钛合金材料，其因具有密度小、强度高、比强度大、综合力学性能和工艺性能（热变形性、焊接性、耐蚀性）良好等一系列优点，而在航空航天、船舶、石化、医药卫生等领域得到广泛和成功应用。 　　随着相关工业的飞速发展，TC4钛合金的使用量与日俱增，其在机械加工行业的切削加工也日渐成熟。钛合金铣削作为切削加工量中占比最大的加工方式，加之加工时易出现铣刀崩刃，耐用度底等问题，使得TC4的铣削加工受到普遍关注。 　　二、TC4钛合金的切削加工性 　　TC4钛合金属于（α+β）型钛合金，是典型的难加工材料之一，其切削加工性仅为45钢的1/5～2/5，介于不锈钢和高温合金之间。主要是因为： 　　（一）TC4的导热率为铁的1/4、铝的1/16，比不锈钢和高温合金的导热率还要低，使得加工过程中产生的大量切削热大部分残留在刀具内，造成切削温度高，刀具迅速磨损。 　　（二）与45钢相比，TC4的切削力是其2/3～3/4，但切屑与前刀面的接触面积却只有其1/2～2/3，所以切削刃承受的应力是钢的1.3～1.5倍，刀尖或切削刃更容易磨损或损伤。 　　（三）相同条件下，TC4材料与刀具材料的摩擦系数大于碳钢，切屑沿前刀面流出的摩擦速度高，导致摩擦功大，摩擦界面温度高，刀具易磨损。 　　（四）高温时，钛合金能与空气中的氢、氧、氮起化学反应，形成硬化层，造成工件塑性降低，切屑与前刀面接触面积减小，加速刀具磨损。 　　（五）TC4的弹性模量约为钢的1/2，小弹性模量和大屈强比使切削加工时工件已加工面产生较大回弹和变形，刀具后角磨损，与零件摩擦加剧。 　　三、TC4钛合金的铣削加工 　　（一）铣刀的选择 　　铣削TC4钛合金用铣刀常选高性能高速钢和硬质合金两种材质。高速钢铣刀可选铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al和钴高速钢W2Mo9Cr4Co8两种牌号。硬质合金铣刀可选YG10H和YG8两种牌号。钴高速钢因含钴而切削性能更好，当切削用量大时考虑使用。YG10H是亚细颗粒合金，硬度及抗弯强度均优于YG8，且耐磨性能、抗冲击和抗振性能好，适宜铣削加工TC4材料。 　　铣削TC4用的铣刀，前角应比通用标准铣刀小、后角比它大，尽量采用锋利的尖齿铣刀。同时，考虑过渡刃和刀尖圆弧对铣刀耐用度的影响、考虑铣刀直径、铣削刃长度对本身刚性的影响，尽量采用铣刀工作部分短、具有过渡刃的大直径铣刀。 　　（二）铣削用量 　　为提高生产效率，铣削TC4钛合金时，也应尽量增大铣削深度、铣削宽度、铣刀齿数，适当降低铣削速度。立铣TC4时，可按下表（表1）选定铣削用量，再根据表面粗糙度要求、切深等条件加以修正，也可查资料按公式计算铣削速度。 　　（三）其他 　　1.铣削方式 　　铣削TC4钛合金时，铣刀因断续切削、切屑与刀齿粘接而产生崩刃，刀具耐用度较低。铣削时选用顺铣的方式，可以减轻切屑粘刀，避免加工硬化，改善铣刀磨损，同时降低铣削功率，方便切屑清理。 　　铣刀直径D 　　/mm 铣刀转速n 　　/rpm 每齿进给量af /mm 　　3 　　6 　　10 　　12 　　20 　　25 　　50 611～1222 　　306～611 　　203～407 　　153～306 　　102～203 　　76～153 　　38～76 0.005～0.013 　　0.005～0.03 　　0.013～0.05 　　0.013～0.08 　　0.03～0.10 　　0.05～0.15 　　0.08以上 　　表1 TC4钛合金立铣时常用速度和进给量 　　2.切削液的使用 　　铣削TC4钛合金时，可通过使用切削液提高铣刀耐用度，尤其是使用高速钢刀具时。用硬质合金铣刀铣削时，也可不用切削液，进行干切削。 　　3.锻造氧化层的铣削 　　TC4钛合金锻件的氧化层本身硬度大，且表面凹凸不平，铣削困难。氧化层虽可通过酸洗去掉，但会造成脆氢，需真空退火除氢，还是建议用切削的办法去除。 　　铣削TC4氧化皮时，切削深度，切削深度应大于氧化层厚度，每齿进给量af一般在0.1mm左右，铣削速度应降至无氧化层时的50%左右。也可参按下表（表2）推荐的切削用量选取。 　　4.铣刀损伤对策 　　铣刀的损伤是指严重磨损、崩刃、断齿等。铣刀出现损伤时，可以通过改变铣刀几何参数（前角、后角）、切削用量、刀具材料、刀尖圆弧、刀具齿数、铣削方式，及切削液等对策解决。 　　刀具材料 硬质合金 高速钢 　　铣削速度v 　　m/min 15～20 4～8 　　每齿进给量af /mm 0.06～0.1 0.1～0.13 　　轴向切深ap 　　/mm 大于氧化层厚度 　　径向切深ae 　　/mm ≤0.6D 大于氧化层厚度 　　表2 TC4钛合金锻造氧化层的铣削用量 　　四、结语 　　TC4钛合金的不良切削加工性给其铣削加工带来一系列刀具和精度问题。但参照技术资料或根据经验积累，通过选择合适的铣刀材质和几何参数，调整铣削用量和铣削方式，改善切削条件，并针对性分析和处理铣刀损伤，TC4钛合金的铣削难题便可迎刃而解。 　　参考文献： 　　[1]苌浩，何宁，满忠雷等.TC4的铣削加工中铣削力和刀具磨损研究[J].航空精密制造技术，2003（3）：30-33. 　　[2]何富源等编.机械加工工艺手册（第3卷） [M].北京：机械工业出版社，1992. 　　[3]张幼桢.金属切削理论[J].北京：航空工业出版社，1988.
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由于钛合金所具有的优良特性，它被广泛地应用于航天、汽车、化工等各个领域。但是，钛合金是一种典型的难加工材料，其切削加工中刀具材料与工件的匹配缺乏系统性研究。本文从化学、物理和力学性能三个方面对刀具材料与钛合金性能匹配进行了研究，并通过Ti-6Al-4V钛合金的铣削试验加以验证，建立了钛合金切削刀具选择系统模型。
化学性能匹配从刀具材料和钛合金的氧化以及扩散进行研究。通过对刀具和钛合金的化学热力学计算以及氧化试验研究发现，YT类硬质合金氧化失重相对较少，抗氧化能力较强，YG类硬质合金刀具试样中的WC和Co在800℃下已经发生氧化，而...展开
由于钛合金所具有的优良特性，它被广泛地应用于航天、汽车、化工等各个领域。但是，钛合金是一种典型的难加工材料，其切削加工中刀具材料与工件的匹配缺乏系统性研究。本文从化学、物理和力学性能三个方面对刀具材料与钛合金性能匹配进行了研究，并通过Ti-6Al-4V钛合金的铣削试验加以验证，建立了钛合金切削刀具选择系统模型。
化学性能匹配从刀具材料和钛合金的氧化以及扩散进行研究。通过对刀具和钛合金的化学热力学计算以及氧化试验研究发现，YT类硬质合金氧化失重相对较少，抗氧化能力较强，YG类硬质合金刀具试样中的WC和Co在800℃下已经发生氧化，而YT类硬质合金的TiC未被氧化。添加TaC(NbC)的YW硬质合金有较好的抗氧化能力；细晶粒硬质合金的抗氧化能力要比粗晶粒硬质合金好。800℃时，在Ti-6Al-4V试样表面检测出TiO和TiN的生成，1000℃时Ti-6Al-4V由于表面的氧化膜保护，阻止了氧化的进一步进行。
从扩散试验研究发现，在400℃下，YT类和YG类硬质合金都与Ti-6Al-4V发生扩散，但扩散程度比较低。600℃时扩散现象比较明显，YT15的W、Co元素的扩散程度要高于YG3和YG3X：刀具材料的晶粒越粗，扩散越容易。800℃时，由于氧化现象比较严重，在刀片和钛合金表面生成氧化物，阻止了扩散的进行。
从力学性能匹配来看，YG8 抗弯强度和冲击韧较好，适合钛合金的粗加工和去氧化皮；YG3、YG3X硬度较高，适于钛合金的精加工；性能均衡的YG6、YG6X可广泛的应用于精、半精加工；TaC(NbC)可提高刀具材料的高温硬度、强度以及韧性，可用含TaC(NbC)的YG6A、YW2进行较高速度的切削。
从物理性能匹配来看，导热系数和弹性模量较大、热膨胀系数较小的YG3、YG3X适合精加工，相反导热性和弹性模量较小，热膨胀系数相对较大的YG8、*教育部基础科研项目(A)、国家自然科学基金(675120)的资助项目。
YG8X适合粗加工。通过Ti-6A1-4V铣削试验发现：YG8刀具的磨损较小，YT15的磨损较大且粘结、剥落、崩刃现象比较严重。使用YT15铣削Ti-6A1-4V时，刀具的磨损形态有：前刀面的磨料磨损，同时粘结现象比较严重，刀具表面产生微裂纹后，刀具上的材料会被切屑带走，形成多处剥落；后刀面的磨料磨损，也伴有较严重的粘结现象；切削刃有严重的崩刃现象。使用YG8铣削Ti-6A1-4V时，刀具的磨损形态主要是刀具前、后刀面的磨料磨损，但是粘结现象不如YT15严重，没有出现剥落和崩刃现象。因此YG8比YT15更适合低速下铣削Ti-6AI-4V钛合金。YG8和YT15磨损的主要原因都是：磨料磨损、粘结磨损、氧化磨损以及扩散磨损。
通过系统设计和数据库设计相结合，利用Visual C＃开发软件和MicrosoftSQL Server 2000数据库管理系统完成了钛合金切削加工刀具选择系统模型的开发。该系统可帮助生产、设计人员根据加工要求，快速的推荐刀具材料和合适的切削参数，降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。收起
学位授予单位
机标分类号
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