海洋工程用Ti75鈦合金棒材的切削加工特點和減少刀具磨損的方法

1、前言

Ti75合金是我國“七五”、“八五”期間自行設(shè)計研制的730 MPa強(qiáng)度級薪型艦船動力裝置用近α型中強(qiáng)、高韌、耐蝕、可焊鈦合金，該合金在艦船、石油、化工、機(jī)械、生物工程鐐領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

中國船舶重工集網(wǎng)菜研究所電機(jī)用鈦合金轉(zhuǎn)子支架及輔件，全部采用新型Ti75合金材料。由于這種新型鈦合金屬于難切削材料，對其進(jìn)行機(jī)械加工尚屬首次。因此在制造轉(zhuǎn)子支架過程中，我們對Ti75鈦合金的切削加工技術(shù)進(jìn)行了一些探索。

該支絮及輔件大部分加工過程需要通過銑削來完成。而在Ti75合金的機(jī)械加工過程中，銑削尤為困難，主要問題是切削區(qū)域容易與鈦發(fā)生粘結(jié)，刀齒易崩刃、剝落和咬合，導(dǎo)致刀具磨損甚至破壞，使銑削加工無法進(jìn)行。為解決這一難題，本研究對銑削加工刀具和切削方式進(jìn)行了研究，著重分析了刀具磨損的原因幫機(jī)理，并提出了減少磨損的方法和措施。

2、Ti75合金的切削加工特點

2.1 Ti75合金的力學(xué)性能

Ti75合金名義成分為Ti-3Al-2Mo-2Zr。退火態(tài)Ti75合金材料的室溫力學(xué)性能見表1。

與全α型TA5相比，Ti75合金具有如下特點：強(qiáng)度高出50MPa；沖擊韌性和斷裂韌性分別是TA5鈦合金的1.4倍和1.2倍，KIC為TA5鈦合金的2倍；其有優(yōu)異的冷、熱加工工藝性能以及低的雜質(zhì)敏感性。

2.2 Ti75合金的切削加工特點

1)變形系數(shù)小。

主要因為：Ti75鈦合金的塑性小(尤其在加工中)，切削收縮小；導(dǎo)熱系數(shù)小，在高的切削溫度下引起鈦的轉(zhuǎn)變，引起切削增長；在高溫下，鈦屑吸收了周圍介質(zhì)中氧、氫、氮等氣體而脆化、喪失塑性， 切削不再收縮，使得變形減小。

2)切削溫度高。

切削Ti75合金時，導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度比相同條件下切削其他材料時高1倍以上，且溫度最高處就在切削刃附近狹小區(qū)域。

3)主切削力小，而背向力大。

主切削力小的原因在于，切削Ti75合金時變形系數(shù)小；背自力大的原因在于，Ti75合金彈性模量小，變形回彈造成后面壓力增大。

4)切削呈擠裂狀，加工表面易生成硬脆變質(zhì)層。

融于Ti75合金的化學(xué)活性大、高溫下易與大氣中的氧、氫、氮等發(fā)生強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)，生成硬脆層。這樣，一方面使得切削是擠裂屬屑(且不隨切削條件而改變)；另一方面使得加工表面層產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，降低疲勞強(qiáng)度，也加劇了刀具磨損。

5)粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重。

由于Ti75的親和力大，加之高溫高壓作用，切削時易產(chǎn)生嚴(yán)重粘刀、剝落、咬合等現(xiàn)象，刀具溫度迅速升高，導(dǎo)致刀具粘結(jié)磨損，甚至完全破壞。

3、刀具磨損的原因和機(jī)制

在Ti75含金的機(jī)械加工過程中，Ti75合金的銑削尤為困難，主要問題是切削區(qū)域容易與鈦發(fā)生粘結(jié)，刀齒易崩刃，刀具耐用度低。在加工時，銑刀是進(jìn)行間斷加工，銑刀的每個刀齒在銑削1轉(zhuǎn)中只 有一段作銑削工作，而其余的過程中切屑都粘附在刀齒上。另外，切削Ti75合金時，銑削工作區(qū)的溫度高達(dá)1200℃以上，切削力又大，而且切屑和刀具前面接觸面積較小，高溫集中在一個很小的面積 上，這樣就容易使刀具磨損。

切削Ti75合金時，刀具磨損主要都是在高溫?zé)嵝?yīng)作用下而產(chǎn)生的磨損。銑床大多使用高速鋼刀具，由于其切削溫度比高速鋼和Ti75合金的黏結(jié)溫度要低，因而采用高速鋼刀具進(jìn)行切削，粘附磨損 不是刀具磨損的主要原因，主要磨損原因是高溫?zé)嵝?yīng)作用下，高速鋼刀具材料迅速軟化，失去硬度和強(qiáng)度而引起。當(dāng)切削速度較低時，切削溫度不高就可以解決高速鋼軟化問題。而對硬質(zhì)合金來講，磨損主要是粘結(jié)溫度所引起粘附的磨損。

銑削加工是不連續(xù)的切削過程，斷續(xù)切削時除了沖擊負(fù)荷的作用影響刀具的壽命外，還有粘附剝脫磨損，嚴(yán)重影響刀具的壽命。

以逆銑為例(如圖1)，切削過程中切屑粘在刀齒前面上，在高溫的切削熱作用下，粘在刀齒上的切屑變軟，其硬度也不大。但是當(dāng)銑刀齒切出工件表面后刀齒不工作時，一經(jīng)冷卻，粘在刃齒上的受熱軟化了的切屑也就冷卻下來，于是又恢復(fù)原來的強(qiáng)度。當(dāng)下一次(第2轉(zhuǎn))這個刀齒在切入工件時，這個強(qiáng)度很高的粘在刃齒上的切屑就被硬材料碰掉。在它被碰掉時就會因與刀齒粘附得很緊而奪取刀具工作面上的金屬分子質(zhì)點(特別上是硬質(zhì)合金刀具)，引起刃具工作表面的“剝脫磨損”，甚至引起“崩刃”，使刀具迅速破壞。如果沒有崩刀，但是刀具前角面由于被切屑粘掉一部分，造成粗糙不平。

當(dāng)這帶有粗糙不平的表面第2次切入工件時，就會使切屑在工工作面上流動困難，產(chǎn)生“停滯”、“集屑”現(xiàn)象，長成刀瘤，就無法進(jìn)行下一次切削。所以在斷續(xù)切削時容易產(chǎn)生“刀瘤’’，而在連續(xù)切削時不容易出現(xiàn)刃瘤。在銑削題Ti75合金時，為了減少刀具的這種剝脫磨損及崩刀、集瘸等現(xiàn)象，可以采用順銑的方法加以改善。

當(dāng)順銑時(如圖2)，切削的深度由大變小，切屑由厚變薄。在順銑時總是薄的一邊最后離開刀齒，切屑容易折斷，而而且慣性力往往使切屑在冷卻之前就和刃齒脫離，因而切屑由于粘附而奪取刀齒工作

面的分子就少，刀具壽命自然就會提高了。根據(jù)以往的加工經(jīng)驗，順銑比逆銑刀輿壽命要提高1倍多。

另外，可以采用不對稱的立銑方法加工Ti75合金，刀具壽命可提高2～3倍，如圖3。此方法要注意切出端一定要比切入端的切屑薄，切削過程類似順銑。

4、減少刀具磨損的方法和措施

在銑削Ti75合金時，為提高工件精度和刀具壽命，除采用順銑或不對稱立銑外，還需采取以下措施；

1）在銑削Ti75合金時，最好采用機(jī)動進(jìn)給，而不采用手動進(jìn)給，以免刀具在工件上打滑，產(chǎn)生加工硬純，使刀具港磨損和粘結(jié)。

2）在銑削Ti75合金時，裝夾剛性要足夠大，工件不產(chǎn)生振動歪扭現(xiàn)象。

3）切削速度是影響刀具壽命最關(guān)鍵的因素，銑削Ti75合金時宜采用低速度切削。

4）銑削時選擇適適當(dāng)?shù)牡毒撸诓灰蟾呱a(chǎn)率時，除了硬質(zhì)合金刀具外，還可選用高速鋼刀具，因它具有較高的韌性和較好的抗破碎能力，一般能達(dá)到滿意的加工效果。

5）選用刀具時，刀具的直徑小、齒數(shù)多者為好，這樣可以減少偏斜和振動，在切削過程中不允許刀具在工件上停留和空刀回行程。

6）在銑削Ti75合金時，后角是最關(guān)鍵的角度。

適當(dāng)增大后角可提高刀具的耐用度，通過修改標(biāo)準(zhǔn)高速鋼刀具的后角(比標(biāo)準(zhǔn)銑刀的后角增加30％～50％)，可減少刀具對工件的壓力、偏斜和負(fù)荷，提高刀具的壽命。

5、結(jié) 語

通過不斷探索試驗，實旌以上工藝方法，終于攻克了Ti75鈦合金不易銑削的難題，順利完成了轉(zhuǎn)子支架及輔件的制造，產(chǎn)品質(zhì)量贏得了軍方的高度贊譽(yù)。這一試驗愆成功，為Ti75合金的切削加工積累了豐富經(jīng)驗，同時拓寬了鈦材的機(jī)械加工領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

【1】趙水慶，楊冠軍．鈦t業(yè)進(jìn)展【J】，2006，23(5)：14

【2】羅秀文．銑工工藝學(xué)【M】．北京：科學(xué)普及出版社，1982

【3】韓榮第，于啟勛，難熱加工材料切削加工【M】.北京：工業(yè)出版社，1996

【4】王扁平．機(jī)械制造工藝學(xué)【M】．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1994