钛合金车削加工刀具和切削用量的研究

钛合金车削加工刀具和切削用量的研究

【摘要】刀具材料、刀具的几何角度以及切削用量的选择对于钛合金的车削加工有很大影响。加工钛合金的刀具必须具备较高的热硬度、耐磨性、良好的韧性、较低的化学活性和较高的导热系数。

【关键词】钛合金；刀具材料；强度；耐磨性

1.前言

钛合金是继铁、铝之后的第三金属材料，由于钛合金具有无磁性、抗腐蚀性好、热强度高、质量轻等优点，最初它在美国的航空航天领域的应用中占有很重要的地位。随后世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行了研究开发，广泛应用于工业生产、人民的日常生活中。钛合金在生物医学方面有应用，钛合金在民用领域方面有应用：钛合金在自行车行业、汽车行业及体育行业都有广泛的应用。钛合金制品应用势头发展迅猛的另一行业是汽车业。研发直现今，汽车发动机气门、曲轴、连杆、悬簧、消音器和车体等，都用上了钛或钛合金。

2.钛合金的组织和性能

根据退火处理后钛合金的金相组织分，钛合金可分为α、（α+β）、β钛合金三类（PCBN高速切削钛合金实验研究）。

（1）α钛合金

退火组织为单一α相固溶体的钛合金称为a钛合金。a钛合金主要以添加含有a稳定元素Al和中性元素，基本上不含或仅含少量的β稳定元素。广义上的a钛合金包括平衡状态下含有很少β相的近a钛合金。a钛合金的特点是组织稳定，高温性能好，热稳定性好，是耐热钛合会的基础。但由于其不能承受热处理强化，因此室温下强度不是很高。

（2）β钛合金

从β区淬火后能将高温的β-Ti稳定至室温即得到β钛合金或介β钛合金。广义上的β钛合金包含平衡状态下不含α相的全β钛合金、具有较少α相的介稳定β钛合金以及具有较多α相的近β钛合金。由于β钛合金体的心立方晶格结构，滑移系多，易产生塑性变形，高温组织稳定性差。

（3）α+β钛合金

α+β钛合金是以α相为基体，添加适当的β稳定元素，一般也称为双相钛合金。两相钛合金具有较好的综合力学性能，强度高于α钛合金，同时又保留了α

钛合金的耐热性，可进行热处理强化，热加工性好。但该类钛合金组织稳定性相对α钛合金较差，α+β钛合金中低β相含量的焊接性能良好，β相含量的越多，焊接性能会越差。

钛合金按其性能特点，可分为耐热钛合金、高强度钛合金、中强度钛合金、低强度高塑性钛合金等。

3.钛合金切削加工的特点

钛合金所具有的一系列物理和化学性能给车削钛合金带来了很多困难，

（1）钛合金的热导率很低，切削产生的热量不易散出。钛合金的车削过程是一个非线性大应变的过程，会产生大量的热量，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，刀刃软化，加快刀具磨损。

（2）钛合金的化学性能很大。一方面，高温下，钛合金很容易与刀具材料起反应加速了月牙洼的形成。但是钛合金的切削过程基本上是在高温下进行的。另一方面，在较高的切削温度下，钛合金容易和空气中的氧和氮产生化学反应，形成脆而硬的外皮，再加上切削过程中的工件已加工表面产生的塑性变形也会造成表面硬化现象，这种现象称为冷硬现象。冷硬现象不仅降低钛合金零件的疲劳强度，而且加剧刀具磨损，是切削钛合金时的一个重要特点。

（3）变形系数小。这是钛合金切削加工的显著性特点，变形系数小于或者接近于l。在加工过程中，切屑与前刀面接触的面积太大，切屑在前刀面上滑动的距离太长，大大增加了刀具的磨损，同时也提高了切削区的温度。

（4）刀具易磨损。毛坯经过冲压、锻造、热轧等工艺处理后，形成硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刃现象，所以切除硬皮成为钛合金切削过程中最困难的工序。另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，容易出现切削温度高和单位面积上切削力大，刀具上容易产生粘结磨损。

在钛合金切削加工过程中的，阻碍其广泛使用的主要原因是钛合金加工的高成本是。因为钛合金材料比较昂贵，加工又很困难，加工钛合金的刀具比加工普通的材料的刀具要求高太多，特别是在高速切削加工过程和精加工过程中，刀具的要求非常的高，但最后的钛合金的切削用量不高，加工的成本太高。在我国高性能专用机床、刀具的国产化程度比较低，钛合金车削过程中的切削用量的选择也很不合理，严重制约了我国钛合金切削加工水平的提高。归根结底，钛合金高速切削加工的基础理论和工艺规范不够完善，导致高性能机床和刀具无法充分发挥其效能，制约了钛合金高速切削技术的进一步发展和应用。因此深入研究钛合金高速切削的机理，并优化工艺参数，是提高钛合金加工工艺水平的主要措施之一。

4.钛合金材料切削加工的基本原则

（1）切削速度要低。因为切削速度对切削刃的温度影响很大，切削速度越高，则切削刃温度剧增，切削刃温度的高低直接影响着刀具的寿命，所以要选择合适的切削速度。

（2）切削深度要大。通过实验证明，切削深度对刀刃温度影响较小，所以采用较低的切削速度、增大切削深度对钛合金的切削是有利的，特别是粗车时，要保证刀刃完全进入被切削的钛合金表面内，以防止产生磨损或崩刃现象。

（3）切削加工中不能停止走刀。切削中停止走刀，刀刃和被切削钛合金就会在高负荷下长时间摩擦，容易引起钛合金的加工硬化，产生烧结和挤裂而损坏刀具。

4.1 刀具的几何角度选择

前角和后角的选择对于钛合金的车削加工最重要的。铁合金导热性能差，车削过程中产生的大量热，这些切削热绝大部分集中在刀刃处，导致刀尖处的温度急剧升高。因此，一般情况下刀具都会比较锋利，适当的增大刀具的后角，这样可以减少切削刃处产生的切削热，同时还能够提高切削力，有利于保护刀尖。但是后角也不能增加的太大，会降低刀具的强度，导致刀具过快磨损甚至崩刃，综合考虑，钛合金的车削加工一般情况后角的选择应该是10°到16°之间。用高速钢或者硬质合金车刀精车时，前角一般选取的比较小，一般选取0°到5°。而进行粗车时，硬质合金车刀前角的选择一般在0°到-5°。高速钢车刀前角一般选择在5°到10°之间。一般情况下，会选择0.05到0.1mm的负倒棱，负倒棱角一般选择在-10°到0°之间，以增加刀刃的强度以及散热面积。对于刃倾角的选择，粗车一般选择3°到5°的刃倾角，而精车时一般无刃倾角。对于主偏角的选择，粗车时主偏角应该选择得小些，一般选择在45°到75°之间，精车时主偏角一般选择在75°到90°之间。对于负偏角的选择，很多做钛合金车削研究的专家，都选择了15°的负偏角。对于刀尖圆弧或过渡刃的选择，精车时，刀尖圆角一般选择在0.5mm左右；粗车时，可适当加大，但不大于1.5mm。对于刀具角度的选择一般是基于消除因机床或工件索统刚性不足产生的振动、改善了散热条件、提高了刀具的耐用度等原则考虑的。

4.2 切削用量的选择

对于切削用量的选择，不同的加工方式对切削用量的要求也不同。对于粗加工，由于对加工工件的表面质量的要求没有精加工高，主要是为了将工件表面的剩余材料切削掉，对表面质量和几何尺寸要求都不高。而精车就不一样了，工件的直径几何尺寸要合格，而且对表面的粗糙度要求也也要合格。所以就需要选择较大的切削速度，较小的切削深度以及比较小的进给量。切削用量的选择一般如下；

粗车：切削速度v=40～50m/min 进给量f=0.2～0.3mm/r

切削深度ap=3～5mm

精车：切削速度v=50～55m/min 进给量f=0.1～0.15mm/r

切削深度ap=0.2～0.5mm

5.结束语

综上所述，钛合金由于其优良的性能在航空航天工业以及许多的民用工业的使用比例逐年增加，但因为其切削加工成本非常高然而加工效率又非常低的影响，目前钛合金的应用受到较大限制。本论文为钛合金的车削加工为刀具的几何参数的选择和切削用量的选择提供了参考。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。

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