钛合金之加工诀窍

钛合金之加工诀窍（精选5篇）

1.钛合金之加工诀窍 篇一

钛合金加工中的安全问题

铋合金具有耐高温性能好、优越的抗蚀性、重量轻、与其他金属兼容等特点,因此,广泛被应用于制作各类先进客机的结构件和非结构件.但钛合金导热性差,切削加工时易产生粘刀现象,由此给钛合金的`加工带来了一些麻烦.本文就钛合金加工过程中可能带来的着火、燃烧问题及其预防措施谈谈笔者的看法.

作 者：韩德兴 作者单位：鲲鹏航空有限公司刊 名：航空维修与工程 PKU英文刊名：AVIATION MAINTENANCE & ENGINEERING年，卷(期)：2008“”(3)分类号：V2关键词：

2.钛合金之加工诀窍 篇二

钛合金密度低、比强度 (强度/密度) 高、抗腐蚀性能好、耐热性高、韧性、塑性、可焊性均较好, 目前在航空航天、汽车、医学、体育用品及电解工业等许多领域均已大量使用钛合金。但导热性能差、硬度高、弹性模量低等特性也导致钛合金成为较难加工的金属材料。本文是针对其工艺特性总结出的钛合金切削加工中的一些工艺措施。

1 钛合金材料的主要优点

(1) 钛合金强度高而密度小 (4.4kg/dm3) 、重量轻, 为一些大型结构件减轻重量提供了解决方案。

(2) 热强性高。钛合金在400~500℃条件下仍能维持较高的强度, 可以稳定的工作, 而铝合金的工作温度只能在200℃以下。

(3) 与钢材相比钛合金固有的高耐蚀性可以节省飞机日常运行和维护保养的成本。

2 钛合金加工特性分析

(1) 导热系数低。TC4在200℃时热导率l=16.8W/m·℃, 导热系数是0.036卡/厘米·秒·℃, 仅是钢的1/4, 铝的1/13, 铜的1/25。在切削加工过程中散热和冷却效果差, 缩短了刀具寿命。

(2) 弹性模量低, 零件已加工表面回弹大, 导致已加工表面与刀具的后刀面接触面积增大, 既影响零件尺寸精度又降低了刀具耐用度。

(3) 硬度因素。硬度值低的钛合金加工时会发粘, 切屑沾在刀具前刀面的切削刃附近形成积屑瘤, 影响加工效果;硬度值高的钛合金加工时容易使刀具产生崩刃和磨蚀。这些特性导致钛合金金属去除率低, 仅为钢件的1/4, 加工时间较同尺寸钢件要长得多。

(4) 化学亲和性强。钛不仅可以与空气中的主要成分氮、氧、一氧化碳等物质发生化学反应, 在合金表面形成Ti C及Ti N硬化层, 而且在切削加工产生的高温条件下还能与刀具材料起反应, 降低了刀具的耐用度。

(5) 切削过程中的安全性能差。钛属于易燃金属, 微量切削时加工中产生的高温和火花可能引起钛屑燃烧。

3 钛合金加工工艺方法

(1) 尽可能使用硬质合金刀具, 钨钴类硬质合金具有强度高、导热性较好的特点, 与钛高温下也不易发生化学反应, 适合用来加工钛合金。

(2) 合理选择刀具几何参数。为降低切削温度, 减少刀具粘结现象, 可适当减小刀具前角, 通过增加切屑与前刀面的接触面积来散热;同时增大刀具后角, 减少因已加工表面回弹与刀具后刀面摩擦接触而产生刀具粘结、已加工表面精度降低的现象;刀尖宜采用圆弧过渡以增强刀具强度。加工钛合金要经常修磨刀具以保证其刃形锋利、排屑顺畅。

(3) 适宜的切削参数。确定切削参数可参考一下方案:较低的切削速度——切削速度高会导致切削温度急剧升高;适中的进给量——进给量大则切削温度高, 进给量小则刀刃因在硬化层中切削时间长而磨损加快;较大的切削深度——刀尖越过钛合金表面的硬化层切削能提高刀具寿命。

(4) 加工中切削液流量和压力要大, 对加工区域要充分连续的冷却以降低切削温度。

(5) 选用机床必须始终注意提高稳定性以避免振动趋势。振动会造成刀刃崩碎、刀片损坏的结果。同时, 加工钛合金工艺系统刚性要好以保证切削时采用较大的切削深度, 但钛合金加工回弹大, 夹紧力较大会加剧工件变形, 故精加工时可以考虑使用拼装夹具等辅助支撑以满足工艺系统刚度要求。

(6) 铣削方式一般采用顺铣。钛合金加工中逆铣造成的铣刀粘屑和崩刃要比顺铣产生的铣刀破损严重得多。

(7) 磨削常见的问题是粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。故磨削时宜采用磨粒锋利、硬度高、导热性好的绿碳化硅砂轮;根据被加工表面光洁度的不同砂轮粒度可采用F36~F80;砂轮硬度应较软, 用以减少磨粒与磨屑的粘附, 降低磨削热;磨削进给量要小、速度偏低, 乳化液充足。

(8) 钛合金钻孔时需要对标准钻头进行修磨以减少烧刀和钻头折断现象。修磨方法:适当增大顶角、减小切削部位前角、增大切削部位后角, 圆柱刃倒锥度数翻倍。加工中应增加退刀次数, 钻头不得在孔内停留, 及时清除切屑, 足量的乳化液冷却, 注意观察钻头变钝应及时清除切屑, 足量的乳化液冷却, 注意观察钻头变钝应及时更换修磨。

(9) 钛合金铰孔也需要对标准铰刀进行改制:铰刀刃带宽度应小于0.15mm, 切削部位与校准部位宜圆弧过渡, 避免出现尖点。铰孔时可采用组铰刀多次铰削, 每次增加铰刀直径0.1mm以下, 主轴转速宜稍慢, 退刀时不停车。用这种方法铰孔能达到较高的光洁度要求。

(10) 攻螺纹是钛合金加工中最为困难的一环, 因扭矩过大, 丝锥刀齿很快就会磨损, 已加工部位的回弹甚至能使丝锥折断在孔内。选用普通丝锥加工时应根据直径大小适当减少其齿数以增大容屑空间, 在校准齿上留出0.15mm宽度的刃带后需将后角增大至30°左右, 去除1/2~1/3齿背, 校准齿保留3扣后增大倒锥度数。建议选用跳牙丝锥能有效的减少刀具和工件接触面积, 加工效果亦较好。

4 加工注意事项

(1) 刀具勤修磨、保持锋利, 以确保其加工过程中产生尽可能少的切削热。 (2) 设备、刀、工、夹具应保持整洁, 切屑及时清除。 (3) 使用不燃或难燃的工具转移钛屑。将处理掉的碎屑存放在不可燃容器中覆盖好。 (4) 操作清洗过的钛合金零件应戴干净的手套, 避免以后造成氯化钠应力腐蚀。 (5) 切削区域有防火设施。 (6) 微量切削时, 切下的钛屑一旦起火, 可用干粉灭火剂或干土、干砂扑灭。

5 结束语

3.钛合金的超高速切削加工技术研究 篇三

钛合金化学亲和力大，导热性差且强度高，使切削温度大幅提高、刀具磨损加剧，用传统的加工方法难以加工。长期以来，改善钛合金切削加工性的途径一直在探索中，合理选择刀具材料及刀具几何参数、合理制定切削用量、采用适当的切削液等均可在不同程度上提高难加工材料的切削加工性。迄今已经有了一些方法，常用的有专门热处理、加热切削、向切削区引入超声波及振动等。但这些方法普遍存在着效率低、成本高且加工质量难保证等弊端。而超高速切削加工可大幅提高钛合金加工的生产效率及加工质量。

1. 超速切削的特点及刀具材料

（1）高速切削技术

高速切削是一个相对概念，如何定义，目前尚无共识。通常把切削速度比常规高出5—10倍的切削加工叫做高速切削或超高速切削。按不同加工工艺规定的高速切削范围，车削700—7000m/min，铣削300—6000m/min，钻削200—1100m min，磨削150—360m/s，这种划分比常规切速几乎提高了一个数量级，而且有继续提高的趋势。

高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件与软件技术均得到充分发展的基础之上综合而成的。因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，涉及机床、刀具、工件、加工工艺过程参数及切削机理等诸多方面。

该技术为“轻切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap与ae很小。其有以下几个优点。

加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的3—5倍。

刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数ξ减小，切削力降低30%—90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。

刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。

材料切除率高，工件表面质量好。首先，ap与ae小，工件粗糙度好。其次，切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量，工件表面鳞刺的高度会显著降低，甚至完全消失。超高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5—10倍。这样，单位时间内材料的切除率可提高3—5倍。

高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿色加工。

可完成高硬度材料和硬度高达HRC40—62淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层(TiAlN)的硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工(EDM)的3—6倍，而且表面质量很高(Ra0.4)，基本上不用钳工抛光。

(2）超高速切削的刀具材料

由于超高速切削的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍，切削温度很高，因此超高速切削对刀具材料提出了更高的要求。刀具材料应具备高的耐热性、抗热冲击性，良好的高温力学性能，以及较高的可靠性。目前国内外用于超高速切削的刀具材料主要有涂层硬质合金、TiC (N)基硬质合金、陶瓷刀具、聚晶金刚石PCD和立方氮化硼等。

2. 超高速切削钛合金

超高速切削钛合金是在高应变率响应的作用下，改善其加工性能，从而得到高的加工质量。超高速切削钛合金的速度一般控制在150—1000m/min范围。

超高速切削钛合金的关键技术除了切削速度外，还有刀具主轴单元及进给单元制造技术、机床支承及辅助单元制造技术、加工测试技术等诸多因素。

根据钛合金自身对刀具材料的要求，以及超高速切削对刀具材料提出的特殊要求，研究发现适宜于超高速切削的几种常用的刀具材料与钛合金的匹配性存在很大差异。

PCD刀具的性能很适宜于加工钛合金，原因有： (1) 很好的导热性。由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故切削温度低。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5—9倍。 (2) 较低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小得多，约为高速钢的1/10。 (3) 极高的硬度和耐磨性，金刚石刀具在加工高硬度材料时，耐用度为硬质合金刀具的10—100倍，甚至高达几百倍。

3. 结语

采用超高速切削难钛合金这一加工材料，解决了常规切削钛合金的难题，既保证了加工质量，又大幅度提高了生产率，具有良好的发展前景。超高速切削技术用于难加工材料的加工正在逐渐成熟，如何进一步完善超高速切削钛合金的加工技术，是有待进一步研究的课题。

参考文献

[1]左敦稳, 黎向锋, 赵剑峰.现代加工技术.北京:北京航空航天大学出版社, 2005.3.

[2]荣烈润.高速切削技术的发展现状.机电一体化, 2002.8, (1) :6-9.

4.钛合金之加工诀窍 篇四

大进给铣削技术, 作为一种高速高效的钛合金加工方法, 是目前国内外研究的热点。本文在简要介绍大进给铣削技术的基础上, 深入分析了大进给数控加工程序编制对效率、质量和成本等方面的影响, 针对性地提出相应的加工程序优化方案, 并在实际产品上进行了验证。

1钛合金大进给铣削技术

钛合金属于典型的难加工材料, 其可加工性较差［3］。按照通常的定义, 钛合金切削加工在切削速度50 m/min以下为低速切削区域, 切削速度在50 m/min ~ 120 m/min之间为高低速切削过渡区域, 切削速度在120 m/min为高速切削区域。随着钛合金应用越来越广泛, 有关钛合金加工方面的研究越来越多, 大都突破低速切削区域, 部分试验也达到了120 m/min。但是, 目前的大部分研究都还集中在参数和工艺上的优化, 采用强力切削加工。由于这些研究必然受到刀具结构、机床扭矩和精度的限制, 要想进一步提高加工速度和效率有一定的难度。大进给铣削技术就是在这种条件下提出来的一种高速高效技术。

钛合金切削加工中切削力和切削扭矩受切削深度的影响最为明显的因素之一, 每增加1 mm的切削深度, 其切削力增幅几乎成倍增加。而大进给铣削技术的原理是通过采用尽量小的刀具主偏角, 以小切深方式进行加工, 从而保证在每齿进给量较大、切削厚度较小的情况下相应的切削力较小。这种加工方式适合小扭矩、低功率、低刚性系统的设备, 可以实现切削速度方面新的突破。

图1、图2所示分别为Sandvik和WALTERS公司的钛合金专用大进给铣刀, 其切削刃或刀片形式如图3所示。 大进给铣削刀具主要是刀具底齿参与切削, 而其底部有较大的底刃圆弧半径Rbo和较小的刀尖圆弧半径rε, 形成较小的主偏角, 在加工时侧向力较小, 切削深度也较小, 总体切削力下降, 机床的扭矩和功率要求较低; 同时, 由于该刀具在加工过程中, 切削力沿刀具轴向径向力较小, 有效避免了大悬伸刀具在加工过程中的振颤现象, 与普通圆柱铣刀相比, 具有较明显的优势。

2大进给铣削技术中加工程序编制的新问题

钛合金大进给铣削相对于传统低速加工和高速切削加工, 由于刀具结构、使用机床、加工参数方面都有较大的变化, 为了适应这些变化, 其对加工程序的编制要求也有较大的不同。

2. 1程序编制对切削效率的影响

传统的钛合金零件加工由于采用大切深的强力切削, 其加工程序一般都只有1 ~ 2层, 由“快速定位—进刀—切削—退刀—快速回位”几个步骤组成, 程序比较简单 ( 图4) 。程序中“快速定位—进刀”之间和“退刀- 快速回位” 之间的程序为主轴空运行, 对切削效率影响较小, 几可忽略。但对于大进给铣削加工来说, 进给速度提高较大, 每齿进给量可能达到传统加工的4 ~ 8倍, 仅对单层加工效率来说, 空运行的影响已较明显; 而且大进给铣削轴向切深ap相对传统加工很小, 加工层很多, 如果仅仅按传统加工程序在深度方向变化后简单重复使用, 这样的空运行程序非常长, 对加工效率影响就会更大。由此钛合金大进给铣削加工中加工程序的空运行程序控制对提高或保持大进给加工效率来说非常重要。

2. 2加工中的刀具刃口冲击磨损问题

大进给铣削刀具的刃口结构与传统的钛合金加工刀具也有所不同。传统钛合金刀具必须适应钛合金作为难加工材料所需的强力切削, 刃口强度较高; 而大进给刀具刃口在此基础上还必须适应较高进给速度下的低切削力切削, 就要求刀具刃口相对比较锋利。而由此带来的问题是钛合金大进给铣削刀具刃口强度有所下降, 在加工过程中承受冲击能力相对较差。从钛合金大进给铣削基础试验中可以发现, 钛合金大进给切削刀具刃口在加工过程中, 若切削参数选择不当, 往往造成刃口磨损严重, 并出现较为明显的刃口处刀具材料缺损现象 ( 图5) 。

2. 3加工稳定性

飞机产品的零件结构多种多样, 在其加工过程中, 切削宽度会随着高度、转角等结构因素发生较大变化, 也可能在加工过程中行进方向变化、机床加速度和加加速度等方面的影响导致加工速度上的较大变化, 而这些变化都将直接影响刀具使用寿命、产品的品质和加工效率。基于以上刀具原因, 以及对设备、产品来说, 保持加工过程的稳定状态异常必要。

3加工程序优化方法

针对以上提出的钛合金大进给铣削加工程序新问题, 结合飞机产品等零件结构特点, 可以从以下几个方面进行加工程序优化。

3. 1行间过渡与层间过渡优化

从图4可以看出, 加工程序中的空运行程序主要从两个方面产生: 1) 刀具径向行间进退刀。为了保证加工过程中始终保持顺铣的加工方式, 刀具在回程必须抬在安全高度以上, 空运行至起点再进行加工下一刀。2) 刀具轴向的层间进退刀。在加工过程中层与层之间都必须有一定的过渡轨迹, 如果采用简单的深度方向的重复加工, 就会在进退刀时形成较大的空运行轨迹。因此, 空运行程序的优化需要有针对性的处理行间过渡与层间过渡。

1) 行间过渡优化

数控加工程序行间过渡是在加工同一高度时, 需要多行加工轨迹才能完成的情况下形成的, 一般的有图6所示5种加工轨迹。其中, 图6 ( a) 如前所述, 所示单向行切将带来至少50% 的空运行轨迹, 效率明显较低; 图6 ( b) 所示双向行切和图6 ( d) 所示双向行切加周边环切将至少有50% 轨迹的加工过程为逆铣, 刀具磨损速度很快, 加工表面品质差, 这是在钛合金加工中要尽量避免的; 图6 ( e) 所示螺旋轨迹切削比较平稳, 空运行轨迹也比较少, 但这种轨迹控制复杂, 程序编制时间较长; 图6 ( c) 所示的环切轨迹编制方法比较成熟, 保证加工过程中随时保持顺铣状态, 而且几乎没有空运行程序, 是在钛合金大进给铣削中的优选方案, 用以替换常规钛合金铣削中的单向行切方案。

2) 层间过渡优化

由于钛合金常规切削方式分层少, 加工程序的层间基本不被重视, 一般都是在每一层从安全平面进并退回到安全平面, 而在大进给铣削中其将是影响效率的一个重要因素, 必须进行层间过渡, 减少在加工轨迹到安全平面之间过多的空运行轨迹。一般减少数控加工程序在加工轨迹到安全平面之间过多的空运行轨迹可以采用两种方法:1) 在程序编制时, 定义最小安全平面, 让刀具在每层加工前后仅在加工轨迹和最小安全平面之间进退, 直接避免在最小安全平面与零件整体安全平面之间的空运行程序段 ( 图7a) 。2) 在上一层加工完成后, 不作退回安全面的处理, 直接开始下一层加工的进刀 ( 图7b) 。这种方法在钛合金常规加工中是不可实现的, 由于切深太大, 下刀距离相对较短, 刀具底齿切削量过大, 将直接烧伤零件; 而在钛合金大进给铣削中, 由于钛合金大进给铣削每层切深都很小, 相对与加工深度来说, 下刀距离可以满足切削要求, 加工过程也较安全。

3. 2进退刀方式优化

钛合金大进给刀具加工零件过程中刀刃受到碰撞的冲击载荷较大时, 由于瞬间受到猛烈冲击, 刀具经常出现崩刃现象。钛合金大进给铣削的加工碰撞现象主要存在于程序的进退刀过程, 如何减少加工中刀具与材料之间的碰撞, 保证加工进退刀的平稳切入和切出, 加工程序中进退刀方式的优化是关键。目前, 数控铣削进退刀分可为封闭区域的进退刀和开口处进退刀。

封闭区域的进退刀有如图8所示的3种方式, 其中图8 ( a) 垂直进刀只能用于已经预先开制了下刀孔的情况钛合金大进给铣削不开下刀孔, 因而采用这种方法冲击力较大, 排屑及散热困难不适用钛合金大进给铣削。图8 ( b) 斜线下刀和图8 ( c) 螺旋下刀可以在钛合金大进给铣削中使用, 而螺旋下刀的加工过程明显相对于斜线下刀更加平稳, 是钛合金大进给铣削的最优方式。

在开口处进刀的部位 ( 图9) , 进刀点材料余量精确控制会附带较多的程编难度和加工操作难度, 而采用直线进刀方式在允许适当碰撞的情况下不需要精确进刀点, 产品品质影响也不大, 所以开口处进退刀在一般的程序编制都是采用直线进刀方式。直线进刀方式使刀具切入时出现切离时切屑较厚的情况, 类似逆铣, 刀具受到冲击较大, 在钛合金大进给铣削中使用是不利的。此时就必须采用圆弧进刀方式, 其始终保持切离时切屑厚度很小, 减少刀具在进退刀时的受力突变而引起的对刀片冲击, 可以减小刀具振动并提高刀具寿命。

3. 3切削用量稳定性优化

目前数控加工通过CAM软件进行程序的质量控制, 无法高效地对实际加工中的材料切除率变化进行动态衡定和切削参数的智能动态补偿, 程序质量、可靠性和加工效率无法得到有效提高。目前, 通过Vericut软件的数控程序优化模块是解决这个问题的有效手段, 可在不变动工艺方案的情况下稳定加工过程中的切削量, 确保加工过程的稳定性, 改善零件切削条件, 并延长刀具使用寿命, 降低刀具使用成本, 提高零件加工效率。

Vericut优化模块的优化过程是根据优化条件将刀具轨迹运动划分为许多小段, 然后按照给定的切削参数, 根据切削余量赋给每小段最佳进给速度, 保证在每一段加工过程中的金属去除量, 并将优化结果保存为一个新文件作为实际可用的加工程序 ( 图10) 。该方法不改变刀位轨迹路径, 而且能保证经修改后的刀位轨迹能在最佳金属去除率和进给速度值下操作, 从而保证程序在最短的时间加工出最好的零件。经过简单的对比试验发现, 经过优化后的程序能够保证稳定的切削用量, 加工过程平稳, 而且要比优化前的程序加工效率提高35% ~ 45% 。

3. 4转角加工轨迹优化

采用直角转弯轨迹的传统转角加工方法理论上就是一个方向从正常切削速度减速至零, 然后另一个方向从零加速至正常切削速度的过程。刀具刃口在这个过程必然受到冲击, 而在直角尖点速度为零, 刀具与材料之间发生摩擦严重, 容易出现拉刀、烧蚀等现象, 而且在加工钛合金时可能出现崩刃, 钛合金大进给铣削过程中这种现象尤为突出。试验表明, 钛合金大进给铣削转角时切削力明显增大, 刀具磨损明显加剧。

零件转角加工的数控程序轨迹优化的方法比较多, 有摆角行切、增加圆弧、增加摆线轨迹等［5］。但实际简单易行的是采用增加圆弧的办法, 在圆弧加工过程中保持加工速度, 避免速度突变, 较小切削余量的变化, 避免转角尖点冲击 ( 图11) 。优化后的数控加工程序加工的零件转角如图12所示。

4加工程序优化应用验证实例

针对飞机结构特征, 设计典型试验件, 按照以上针对钛合金大进给铣削方法进行了相关程序的优化, 并针对某型飞机典型钛合金框体零件进行实际加工验证。通过仿真计算, 加工过程的空运行轨迹减少约70% , 实际加工效率也有明显提高; 加工过程平稳, 零件表面品质明显光滑, 切屑表面没有明显的挤压痕迹和过热现象, 明切削过程非常理想。

5结语

钛合金的高速高效切削加工一直是业内研究的热点问题, 通过在粗加工过程中应用钛合金大进给铣削加工方式, 大幅提高了钛合金飞机结构件的加工效率, 取得了较好的经济效益。但在实际加工过程中, 采用钛合金大进给铣削加工方的同时, 沿袭传统钛合金数控编程方式的加工将导致大量的效率丧失和产品品质问题, 在大进给铣削的基础上进行针对性的数控加工程序优化在实际生产中对品质和效率的提升效果显著。随着钛合金大进给铣削加工方在产品制造中的逐步推广应用, 针对不同问题、不同特征的程序优化技术将不断的发展改进, 将在很大程度上实现钛合金的高效率加工, 并且提升了产品的品质。

摘要：钛合金因其优越的比强度、机械性能和抗腐蚀性等优点而广泛应用于航空工业, 但由于热导率低、弹性模量小、化学活性高等问题而导致其切削加工性差。介绍了大进给铣削技术这种高速高效的钛合金加工方法, 分析了大进给数控加工程序编制带来的效率、品质和成本等方面的问题, 提出了相应的加工程序优化方案, 并在实际产品上进行了验证。

关键词：钛合金,高速铣削,大进给,数控程序优化

参考文献

[1]孙聪, 王向明, 等, 现代战斗机机体结构特征分析[M], 北京.航空工业出版社, 2007.

[2]罗汉兵, 赵军, 李安海, 等.高速铣削钛合金Ti6A4V铣削力试验研究[J], 组合机床与自动化加工技术, 2011 (5) :18-20.

[3]楚王伟, 牟文平, 龚清洪, 等.钛合金飞机结构件高效铣削技术研究[J], 工具技术, 2008, 42 (8) :43-46.

[4]李丹, 刘长清, 刘华.基于虚拟加工技术的数控程序优化[J], 机械设计与研究, 2006, 22 (6) :88-90.

[5]赵威, 何宁, 等.薄壁结构的高效铣削加工[J], 航空精密制造技术, 2002, 38 (6) :12-15.

5.钛合金之加工诀窍 篇五

孔是组成机械零件的基本形面, 是实现零件功能的一种基本结构, 虽然没有资料统计有孔零件占零件总数的比例, 但有资料统计孔加工的金属切除量约占整个机械加工金属切除量的20%, 孔加工刀具的消耗量约占整个机械加工刀具消耗量的60%, 说明孔的加工难度较大。现代高科技产品中无不存在着大量孔加工任务, 因此研究新的孔加工技术对高科技产品研制与升级换代具有极其重要的意义。

在现代航空、航天、军用、民用的各个领域中, 各种产品发展的一个重要方向是小型化, 组成这些产品的重要零件及零件上的各种形面则更小, 其上的孔加工则多为小孔加工;另外, 为了保证这些产品的可靠性、智能化, 要求所用的零件质量很高, 那么制造零件的材料多为特殊材料, 一般情况下其加工性能较差, 用传统的孔加工方法很难达到加工要求, 常使得孔加工问题成为某产品制造的关键问题和技术。

针对现在出现的各种难加工材料上小孔加工问题, 已经有激光加工、电火花加工、束流加工、超声波加工等许多加工方法, 但由于其各自的一些特点, 不能满足某些情况下的小孔加工要求。尤其是对有较高精度要求的孔, 目前仍然采用钻削的方法, 以保证其加工质量[1]。本文在综述目前常用的微小孔加工方法的基础上对一种新的加工难加工材料微小孔的理论进行了探索。

1 CBN超硬磨具磨钻钛合金微小孔加工研究

微小孔加工的方法按加工原理分为两大类:机械加工和特种加工。机械加工包括钻削、冲孔、研磨、磨料流精加工等;特种加工包括电火花加工、电子束加工、电化学加工、等离子束加工、化学加工、激光加工、超声波加工、电成形加工、水喷射加工、辐射腐蚀加工等。此外, 复合加工也是目前的一种趋势, 常用的有微细电解-电火花复合加工、微细电解-研磨复合加工、微细超声-电火花复合加工、微细超声-研磨复合加工、微细激光-超声复合加工、微细激光-电火花复合加工、微细钻削-超声复合加工等[2]。

1.1 微小孔加工的问题

在微小孔加工过程中容易出现的问题有[3]: (1) 深孔加工排屑困难, 一旦切屑阻塞, 极易损坏刀具, 而且钻削扭矩将急剧增加, 严重时会出现断钻头情况, 必须合理选择切削速度和进给速度, 以保证断屑可靠、排屑通畅; (2) 微小直径深孔加工散热很困难, 冷却润滑液极不易进入钻削区, 必须采用有效、可靠的冷却液和冷却方式; (3) 加工时容易发生偏斜, 必须保证钻头主切削刃的对称性以及其他要素的合理性, 加工前必须采取导向措施。

1.2 CBN的性能

CBN的密度约为3.5×103kg/m3, 为面心立方晶体结构, 与铁族元素之间有着很大的惰性, 到1 300℃也不会发生显著的化学作用;对酸碱都是稳定的;耐磨性极强。CBN与硬质合金性能比较见表1。

CBN硬度为HV8 000~HV9 000, 是一般硬质合金的4倍;导热系数为1 300 W/ (m·K) , 具有良好的导热性, 是硬质合金的25倍;线膨胀系数为 (2.1~2.3) ×10-6/K, 与硬质合金相比较小, 是其的1/3;弹性模量为720GPa, 比硬质合金高;摩擦系数为0.3, 是硬质合金的1/2。

1.3 磨钻理论探究与磨具结构设计

小孔的磨钻加工技术是建立在刀具高速旋转基础上的一种新型小孔加工技术。其基本金属去除原理是磨削, 即刀具由含高硬磨料金刚石颗粒或立方氮化硼 (CBN) 颗粒的材料制成, 整个刀具类似于高硬磨具, 加工时由于刀具高速旋转, 实现磨料与工件之间的高速相对运动, 完成切削加工工作。

磨具采用整体式, 磨料为CBN-982, 粘结剂为金属结合剂。磨料磨粒的排列方式如图1所示, 可有效抑制磨削冲击与振动。当行间距为0.9μm, 行中磨粒紧密排布时, 单位平方厘米的颗粒数约为630, 磨粒直径为50μm~80μm。磨具结构如图2所示, 钻头采用类似枪钻的单刃结构, 可有效避免磨削时中心转速为零。

超高速磨钻是在高速度、大应变、快速成屑的条件下进行的, 是一个极其复杂的过程, 影响磨钻的因素很多, 而且难于控制;由于超高速磨钻的整个过程是准绝热的, 因此没有足够的时间把磨粒对材料的高速冲击能以能量的形式传导和扩散出磨粒接触区, 使磨粒刃下方的材料在短时间内达到高温并软化、产生塑性流动甚至出现准流动相。所以超高速磨削区材料的表层温度接近材料的熔化温度, 从而使材料在瞬间失稳、剪切极限强度下降, 使超高速磨钻磨屑的生成更加容易, 材料磨除率大幅度提高, 导致了去除单位体积材料耗能下降[4,5]。

2 利用ANSYS软件进行仿真

首先在Pro/E 5.0中建立刀具的三维模型, 刀具的刀头长度为0.5mm、直径为Φ0.5mm, 并且在刀具两侧对应开直槽。其次建立一块长、宽、高分别为100mm、100mm、10 mm的被加工板料。创建2个材料模型:刀具材料为立方氮化硼 (CBN) , 其弹性模量为720GPa, 摩擦系数为0.3, 泊松比为0.3;被加工板料为厚度10 mm的钛合金薄板, 其弹性模量为108GPa, 摩擦系数为0.34, 泊松比为0.34。磨具的转速定为30 000r/min~50 000r/min。

利用ANSYS软件进行仿真, 磨具加工的有限元模型见图3, 仿真得到的应力云图见图4。

查看分析结果, 采用不同刀具尖角时的最大位移和应变值见表2。

经分析, 刀尖角度为120°时的最大位移较小, 最大应变值小, 所以刀具尖角取120°较合理。针对刀具尖角取120°的刀具, 当采用不同偏心量时的最大位移和应变值见表3。

由表3可知, 偏心量为0.1μm的最大位移量较小, 最大应变值较小, 故较合理。根据分析结果, 磨钻取钻头锥角为120°, 偏心量为0.1μm为最佳。

3 总结

本文对现有的难加工材料微小孔加工的工艺进行了分析, 总结了各种方法的优缺点, 并对难加工材料微小孔加工的工艺进行了探索, 提出了一种新的加工方法———磨钻。在提出磨钻机理的基础上, 利用ANSYS软件对磨具钻头的结构进行设计优化, 对磨钻加工进行了初步的探索。

参考文献

[1]马星辉, 高国富, 赵波, 等.精密微小孔加工技术进展[D].焦作:河南理工大学, 2008:56-60.

[2]郑袖.深小孔加工的几种方法[J].机械工程师, 2011 (8) :139.

[3]杨彦涛, 李自鹏, 黄志伟, 等.特种加工技术在微小孔加工中的应用[J].黄河水利职业技术学院学报, 2010 (1) :49-51.

[4]李国发, 王龙山, 张卫波.磨削过程优化及其计算机仿真[J].中国机械工程, 2002 (6) :501-505.