高速切削加工钛合金的刀具材料探讨

关键词 钛合金 , 刀具 , 高速切削|2019-05-09 10:28:00
摘要 钛合金一般是按其组织来命名的,即α钛合金、β钛合金及钛合金。α钛合金,主要含有α稳定元素,在室温稳定状态下,基本为α相的钛合金,如工业纯钛和TΑ7。α钛合金主要应用于化工、石化和加...

钛合金一般是按其组织来命名的,即α钛合金、β钛合金及钛合金。α钛合金,主要含有α稳定元素,在室温稳定状态下,基本为α相的钛合金,如工业纯钛和TΑ7。α钛合金主要应用于化工、石化和加工工业,在这些工业中首要考虑的是合金的耐腐蚀性能和可加工变形能力。

近α钛合金,这类钛合金中加入少量Β稳定元素,在室温稳定状态下,退火组织中包含少量β相或金属间化合物,一般不超过10%。α+β钛合金,含有较多的β稳定元素,在室温稳定状态下,由α及β相所组成的钛合金。α+β钛合金有中等强度,并可热处理强化,而且这类合金的各方面性能跟β相稳定性元素的含量成正比例关系,但焊接性能较差。β钛合金,这类钛合金中含有足够多的β稳定元素,在适当冷却速度下室温组织全部为β相,通常又可分为可热处理β钛合金和稳定β钛合金。

01钛合金切削加工的困难性

钛合金的各方面性能之间会相互影响,这些影响是导致钛合金难以加工的重要原因。

1 .1 切屑的变形系数较小

金属的硬度大,所以在进行金属切割的时候,会产生一些切屑,这些切屑会加大刀具和加工材料之间的摩擦力,造成加工刀具的磨损,但切屑由于体积小,容易产生变形,变形之后会减小摩擦力, 这叫做切屑的变形系数, 切屑的变形系数越高 ,对加工刀具的磨损就越小。

而钛合金的优良性质导致其切屑的变形系数比普通碳钢的变形系数要低许多, 这导致刀具与钛合金之间的摩擦力大大增加,加大了刀具的磨损。

1 .2 单位面积切削力大

 钛合金的主切削力不同于其他硬度较低的金属,硬度较低的钛合金有着比碳钢低20%的主切削力。但由于钛合金切屑的变形系数较小,加工时钛合金单位面积的切割力会被增大许多,这样刀具的负荷会变大,刀具很可能在加工的过程中断裂。

1 .3 切割温度高

金属在进行切割加工的时候由于高速的金属摩擦, 会产生大量的热,这些热会对加工质量造成一些影响,但金属大多有着不错的导热性,热量被散发,剩下的热量造成的影响微乎其微。而钛合金的导热性较差,这就导致在加工过程中会发生切割温度较高的情况,这会导致钛合金材料的融化,性能降低 ,更可能会造成加工刀具的软化,导致刀具无法使用。

1 .4 冷硬,粘结,扩散等现象严重

钛在化学元素中是活泼金属,这就导致钛比较容易与空气 ,水和其他元素发生反应,而钛合金继承了这一特点,化学活性比较高, 空气中的一些微量元素会与钛合金发生反应,在钛合金表层形成野保护膜冶,这个野保护膜冶会影响切割加工。而且钛合金的高化学活性会让钛合金容易发生金属粘结和扩散现象,这时切割加工的难度大大增加。

1.5 弹性恢复大

钛合金的弹性模量要比碳钢的弹性模量小1倍,钛合金较小的弹性模量导致在加工的时候所产生的切削变形会变大,在切削变形之后钛合金会进行弹性恢复,弹性恢复的大小与切割变形的大小呈正比例关系,这就导致在实际的切割过程中,切割所产生的缝隙要更加细小,从而增加了刀具和钛合金材料的摩擦,不但会加速刀具的损坏,还会导致加工的钛合金材料表面变得粗糙不堪。

02钛合金切割加工的刀具选择原则

2.1 刀具的本身材料要符合要求

钛合金有着很多性质会影响加工进程,所以刀具本身的材料要能承受这些性质。例如,钛合金导热性差,在加工的时候热量会集中于切削点无法散发,所以刀具材料一定要耐高温 。 钛合金的亲和力比较大,所以在选用材料的时候要选用哪个比较不活泼的金属,最大程度的减少钛合金发生金属扩散的现象。

2 .2 刀具的几何形状

刀具的几何形状对切削过程也很重要,刃口一般用方形和圆形的硬性几何形状,可以增加切削力度,刀具的几何形状对加工完成后的钛合金表面质量起着决定作用,还会影响排屑效果,刃口强度,振纹等成品质量。

2 .3 刀具表面涂层

进行金属切削加工的刀具难免会磨损严重,而进行金属加工的刀具一般成本很高,尤其是对切屑变形系数比较小的钛合金进行加工,刀具消耗会更快。 所以可以对刀具进行涂层 ,涂层就是在刀具外表层镀上一层硬度强度较大的物质,如金刚石,氮化硼。这样可以极大的减小对刀具的损害,大大的增加刀具使用寿命,而且还可以提高刀具的切削速度和进给速度,进而获得更高的生产效率。

 2.4 保守的切削参数

刀具本身符合要求之后,还要结合现有机床性能进行评估 ,得出比较科学的切削参数,切削参数是指进行切削的各类 信息,如切削速度尧切削角度等信息。 得出更为适合刀具的切削参数才能将刀具的寿命最大化,获得较为合理的加工效率。

03切削加工钛合金的刀具材料

3.1 高速钢刀具

高速钢刀具用途很是广泛,这类刀具造价相对来说比较低 ,所以很多金属加工刀具都会选择高速钢刀具。 但对于加工钛合金来说,高速钢刀具有着很大的一个缺点,高速钢刀具的耐热性较差,这样对刀具的损害太过严重。 为了解决这个问题, 人们想出了一个 点子,就是在高速钢刀具中加入元素Co,因为元素Co的性 质, 进行融合之后的高速钢刀具的耐磨损度大大增加,导热性也有所提高, 这样高速钢刀具就可以对钛合金进行加工 ,但由于刀具本身的条件限制,只能对钛合金进行粗加工,无法做到精细加工。

3 .2 硬合金刀具

受到加入元素Co的高速钢刀具的影响, 直接用合金制成的刀具业随之出现.硬质合金一般分为YG类合金和YT类合金,对于加工钛合金来说,YG类合金比较合适,因为钛合金的化学活性较高,在选择刀具的时候要注意刀具与钛合金的亲和力,YT类硬质合金与钛合金会发生剧烈的亲和作用,这样会发生与刀具粘结现象,会增加刀具的磨损,加工出来的钛合金成品表面质量也会降低。

3 .3 涂层刀具

 涂层刀具是现今在国际范围内对钛合金加工的最理想刀具。 但我国的刀具涂层技术比较落后,涂层手法也比较单一,所以这类刀具在我国的使用并不广泛。在国外,由于技术的成熟,刀具涂层之后的硬度大大增加,而且涂层与刀具本身的结合力也是有所保障,这对于加工钛合金非常有利。

3.4 超硬刀具

超硬刀具一般是指金刚石和氮化硼所制成的刀具,金刚石和氮化硼良好的化学稳定性和高耐热性,包括它们本身的高硬度,这些优良性质使它们成为最理想的钛合金加工刀具材料,但缺点是造价比较高,无法大面积普及,在进行航空领域的钛合金加工时,使用的都是超硬刀具。

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