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基于钛合金材料的机械加工工艺分析

2020-02-22吕振华阙善玉

科技创新导报 2020年26期
关键词:加工工艺机械加工钛合金

吕振华 阙善玉

摘  要:钛合金新材料在力学性能上表现较好,具有质量轻、强度高、抗腐蚀性等性能,因此在工业生产以及机械加工工艺方面得到广泛应用。但是钛合金材料的塑性低、硬度高、导热效果差等使得在机械加工工艺应用中也要规避其劣势,防止钛合金刀具使用在切削加工中出现性能问题,本文围绕钛合金材料机械加工工艺应用进行分析,希望对于工業生产质量管控具有参考价值。

关键词:钛合金  机械加工  切削  加工工艺

中图分类号:TG146.23;TH16              文献标识码:A                文章编号:1674-098X(2020)09(b)-0065-03

Abstract: New titanium alloy materials have good mechanical properties, such as light weight, high strength and corrosion resistance, so they are widely used in industrial production and machining technology. However, the low plasticity, high hardness and poor thermal conductivity of titanium alloy materials make it necessary to avoid its disadvantages in the application of mechanical processing technology, so as to prevent the performance problems of titanium alloy cutting tools in cutting process. This paper analyzes the application of titanium alloy machining technology, hoping to have reference value for industrial production quality control.

Key Words: Titanium alloy; Machining; Cutting; Processing technology

钛合金新材料其缺点表现为弹性模量低、变形大等问题,在机械加工中使用钛合金材料进行切削,对于刀具的使用和切削加工工艺运用的方法要引起注意。

1  钛合金材料优劣势分析

钛合金材料也具有质量轻、强度高等优势,针对其优缺点应在加工工艺上予以质量控制,最大幅度的降低刀具使用磨损,利用材料的优势,提高切削等加工工艺水平,防止出现磨损。高温环境里化学活性强,产生的化学作用,增加机械加工难度。另外在进行加工过程中,对于刀具材料、切削加工工艺应用综合予以考量,做好各方面的质量管控。钛合金材料机械加工工艺要运用钛合金材料、机械加工工艺等包括电火花、车磨削等。在机械加工过程中,要全面考虑刀具几何参数、加工工艺、刀具材料、切削液选用、砂轮选择等影响因素[1]。

1.1 切削液的使用

切削液能够降低钛合金材料切削加工中刀刃的热量,在降低切削力的同时切削,进行切削液的合理使用,要注意零部件加工时表面的质量,改善生产效率。当前常用的切削液包括水性、碱性、水机可溶性油质、非水溶性油质溶液等。针对高聚的材料,钛合金材料往往具有导论系数、低塑性低等缺点,因此容易发生切削过程中温度突然升高的情况。夹具、刀具磨损在进行切削液的使用时,尽量要选择性能良好的切削液能够强化材料加工的功效。

1.2 刀具材料的使用

钛合金刀具的选用过程中,为防止出现加工中常见温度高、切削力度大的问题。所选刀具材料具有因应性强、耐磨性高等特征[2]。当前常用的刀具材料一般有硬质、合金、涂层刀具等,优势在于抗氧化性能强、抗粘结性强、耐磨性强。但是也容易出现磨擦系数低等问题。因此对于刀具的几何参数尽量选用前后角小、钢性高的刀具,例如钛合金TC4的粗加工,再经加工过程中选用刀齿较密高刃锋利的材质,进行精加工时,选用镗刀或圆车刀进行工具的应用,前后脚分别取0度10度,成型刀、车刀分别前后角取5度、10度,或者选用螺纹、车刀。

1.3 砂轮的选择

钛合金磨削要求砂轮的粘附性小,在结合剂的组织状态上,按照加工材料的要求,注意磨料的结合剂和气孔组成,结合剂在磨削中要保持稳定,气孔具有排屑润滑的作用。结合剂一般可选择陶瓷或者树脂材料,如陶瓷结合剂砂轮等。

2  钛合金材料的机械加工工艺

钛合金的热导系数较差,在进行钛合金材料加工的时候,对于硅铁等杂质元素要加以注意,这些元素会在加工中产生强烈的反应,其以间隙的形式存在于晶体格中,使得钛合金材料塑性降低,在磨削温度升高的时候,钛合金中的钛与杂质合称为氧化氮化保护膜,使得表面变脆,降低弹性,加大加工硬化程度。降低表面完整性[3]。

(1)钻头的设计要满足排屑流畅要求,可以对钻头螺旋槽进行抛光处理,钻芯厚度去1/4致敬,根据实际情况进行修磨,以确保钻头的定心作用和强度。钻后头角度取12~15度钻头,顶角区140度,增加切削厚度和宽度。对于显刀的设计应满足钛合金的切削要求,刀尖圆弧半径取0.5mm,螺旋角曲40度,切削环境保持半封闭状态,切削液、留置切削区保持润滑和散热效果。

(2)碳合金材料一般有较小的弹性模量问题,针对这一情况,对切削工艺的几何参数也要加以注意。切削锥绞取5~7度校正。齿面设计上符合碳合金弹性模料小的特征,切削宽度取0.2mm。对于钛合金材料的加工过程,表现出来的烧刀或断钻的现象,分析其原因,一般是由于排屑不及时,刀刃磨损较大、冷却不佳等导致,应采取以下措施加以控制,一是及时清除切屑,注意观察切屑的形状、颜色。第二是使用合适的切屑液,把磨合工作台进行固定,尽量贴近加工表面。三是缩短钻头改进过程,防止钻刃出现摩擦加工导致变钝。切削与刀齿连接和崩刃的现象,尤其要加以注重,防止的方法是采用顺向的切削方法,高齿切削路径,缩短从厚到薄进行切削顺序的实施。这一方法可以增强刀具的加工耐用度,锥度部分取3~4扣螺纹长度为宜,以方便排泄。因为钛合金导热性较差,因此在温度升高时,为防止出现断料粘结,与钛合金发生化学反应,应针对上述方法,优化磨削工艺参数,如砂轮硬度、砂轮材料的选取、砂轮速度等,都要尽量控制在较低的水平。

3  钛合金TC4的加工工艺应用

钛合金TC4的粗加工中,在刀具的材料选择上,针对钛合金导热系数低等問题,选择高速钢型号,如含铝高速钢、高估钢塑钢等粗加工中,使用涂层刀具,具有很强的抗氧化性能和抗结晶性能。加工钛合金是利用多层CVD涂层、硬质合金刀具来增强刀具性能,也可采用立方氮化硼刀具,具有较好的热饮性。在高速精加工和半斤加工淬硬钢以及高温合金时,采用这种钛合金刀具效果是较好[4]。

例如新型的刀具材料,无粘接型立方氮化硼刀具具有较高的显效速度。聚晶金刚石的刀具高导热性、低摩擦系数等特点也用于稳定性加工。在刀具的等级和参数上,粗加工时需要刀具刚性好,要求刀具前脚后脚小粗加工钛合金TC4皆消是一般不会。卷馍屑槽选为3度,精加工时为了得到良好的表面完整性和尺寸精度,可以要求刀具锋利。前脚、后脚、螺旋角,刀齿密度均要按照标准设置。

加工中钻头的设计要保证能够流畅排屑。钻头的设计要考虑钛合金弹性模量小的特点,车削的加工工艺参数如表1,及时清除切屑,注意切屑的形状和颜色,一旦出现羽状或颜色变化时,表明钻头已钝化。加入切削液时,使用攻丝专用油,固定在工作台上钻膜,紧贴加工表面,采取手动给进的方法,钻头不得在孔内不进不退,防止出现加工硬化的情况,采用高速钢钻头、刀具、耐用度符合国际标准。攻丝选用一丝到位,丝锥便于排屑,尽量选用短丝锥以增强刚性。

4  结语

根据实践证明,在进行钛合金零件加工切削时,高聚集和参数合理,切削用量严格控制,充分冷却切削加工钛合金零件,以及做好退火消除应力等措施,能够发挥刀具性能,使得钛合金材料机械加工具有更好的耐高温性、耐热性,获得很好的加工工艺效果。

参考文献

[1] 陈宏亮,赵柳敬,苏晓,等.薄壁弱刚性钛合金结构件制造工艺[J].工具技术,2020,54(2):64-67.

[2] 叶泽峰,马铁军,李文亚,等.TA19钛合金线性摩擦焊接试验研究[J].焊管,2019,42(12):13-17,22.

[3] 李维亮,周良明,唐林.钛合金典型特征加工工艺方案设计[J].机床与液压,2019,47(22):126-129.

[4] 吴进进.钛合金材料的机械加工工艺分析[J].南方农机,2019,50(10):256.

[5] 郭成波,狄士春,韦东波,等.TC4钛合金电火花高效铣削加工效率研究[J].兵工学报,2015,36(11):2149-2156.

[6] 岳锋,杜劭峰,张建强,等.钛合金材料高效切削工艺性能研究[J].国防制造技术,2019(1):16-21.

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