钛合金的切削加工及刀具设计

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钛合金的弹性模数小，如TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的一半，因而由切削力所引起的被加工件弹性变形大，将降低工件精度，为此要改善加工系统的刚性。工件必须很牢固地装夹，刀具对工件支承点的刀矩减到最小。刀具必须锋利，否则将发生振动、磨擦，使刀具耐用度缩短，工件精度下降。
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% [& W2 \% j, }) ]. n' `8 G- @    切削钛合金时，仅在切削速度1~5mm/min的范围内，才有积屑瘤形成。因此在一般生产条件下切削钛合金时，不会产生积屑瘤。工件与刀具之间的磨擦系数并不很大，容易得到良好的表面质量。采用冷却润滑液对于改善钛合金表面微观几何形状是没有效果的，切削钛合金时已加工表面粗糙度较低是由于刀具上没有积屑瘤的缘故。

    但是，为了改善切削条件，降低切削温度，提高刀具寿命，同时为了消除火灾的危险，加工时使用大量可溶性冷却剂也是必要的。
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0 M4 O0 Z- T0 R1 N$ Y    通常钛合金零件加工时没有发火燃烧的现象，可是在微切削状态下加工时有发火燃烧现象，为了避免这种危险性，应该：①大量使用冷却液；②及时从机床上扫除切屑；③备有灭火器材；④及时更换用钝的刀具；⑤工件表面污染时易引起火花，此时必须降低切削速度；⑥比薄切屑相比，厚切屑不易产生火花，因此要加大走刀量，加大走刀量不会象加大切削速度那样使温度迅速升高。

( r6 q6 v5 Q6 _6 i, H7 r, R    加工钛合金切削用量的选用准则：应从降低切削温度的观点出发，采用较低的切削速度和较大的走刀量。由于高的切削温度使钛合金从大气中吸收氧和氢造成工件表面硬脆，使刀具剧烈磨损，因此在加工过程中，须使刀尖温度保持在合适的温度，避免温度过高。

    在断续切削的条件下用YG8车刀车削带硬皮的钛合金工件时，推荐的切削用量为：v=15~28m/min，f=0.25~0.35mm/r，ap=1~3mm。

    在连续切削的条件下用YG3车刀精车钛合金工件时，推荐的切削用量为：v=50~70m/min，f=0.1~0.2mm/r，ap=0.3~1mm。表2为车削加工钛合金时可供选用的切削用量。

9 Q$ q& D  K/ S# k2 ^; c" N    表2.车削钛合金时的切削用量
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    工序性质－钛合金材料－硬度－切削余量(mm)－切削速度(mm/min)－走刀量(mm/r)
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    荒车－TA1~7，TC1~2－软－＞氧化皮厚度－18~36－0.1~0.25

    荒车－TA8，TC3~8－中－＞氧化皮厚度－12~27－0.08~0.15
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: {& F9 U3 R# ~* n$ w( ~    荒车－TC9~10，TB1~2－硬－＞氧化皮厚度－7.2~18－0.06~0.12
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    粗车－TA1~7，TC1~2－软－＞2－30~54－0.2~0.4
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9 e% _& b3 h/ L5 }    粗车－TA8，TC3~8－中－＞2－24~54－0.15~0.3

    粗车－TC9~10，TB1~2－硬－＞2－15~30－0.1~0.2
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    精车－TA1~7，TC1~2－软－0.07~0.75－37.5~60－0.07~0.15

& Z  ^4 ^8 ^; s. v) }    精车－TA8，TC3~8－中－0.07~0.75－30~48－0.07~0.12
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    精车－TC9~10，TB1~2－硬－0.07~0.75－18~36－0.05~0.12
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) }* {6 x( A  N; e( o# V0 `* z4 D    用YG6X车刀车削TC4(硬度为HB320~360)，ap=1mm、f=0.1mm/r时的最佳切削速度为60mm/min。在此基础上不同走刀量和切削深度下的切削速度见表3。

    表3.车削钛合金TC4的切削速度
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; U1 N7 v2 q) `' e5 ^* g' }    ap－1mm－2mm－3mm
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    F(mm/r)－0.1,0.15,0.2,0.3－0.1,0.15,0.2,0.3－0.1,0.2,0.3
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    V(mm/min)－60,52,43,36－49,40,34,28－44,30,26
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    加工钛合金的典型车刀具有如下特点：①刀片材料为YG6X，YG10HT；②前角较小，一般γ0=4°~6°，增强刀头强度；③有f=0.05~0.1mm的负倒棱，以增强刀刃的强度；④后角较大，一般α0=14°~16°，以减少后面的磨擦，提高刀具耐用度；⑤一般不允许磨出尖角或过渡刃，而磨出刀尖圆角r=0.5mm左右，粗车时可达r=1~2mm，以增强刀尖强度；⑥精车或车削薄壁件时，刀具主偏角要大，一般为75°~90°。
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( m" D" p( a" y) _1 w  i4 @5 P    切削用量：

+ \0 s' d, i; r( O  x    粗车：v=40~50m/min，f=0.2~0.3mm/r，ap=3~5mm。
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    半精车：v=40~45m/min，f=0.2~0.3mm/r，ap=1~2mm。

    精车：v=50~55m/min，f=0.1~0.15mm/r，ap=0.2~0.5mm。

    使用乳化液冷却，可有效地提高刀具耐用度。在保证刀头强度的前提下使刀头具有高的耐磨性和硬度是合理加工钛合金的关健。因此选用的YG6X刀片在刃磨后应当用金刚石或碳化硅油石背刀(背出倒棱)，达到消除刃磨锯口、增强刀刃强度的目的。
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" ~1 J* P9 c4 D0 S    粗车不规则黑皮工件时，一般将刀片磨出3°~+5°刃倾角；精车时，一般无刃倾角，此时的刀具磨损主要为前刀面粘附(粘结)磨损。

( A: a/ G. w% m0 b; H5 U    这种典型车刀能较合理地解决加工钛合金时材料活性随温度升高而增加及导热性差的问题，因而刀具耐用度大为提高。
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    3.2 钻削
; h+ f. c0 C$ C3 A4 L# v$ K/ A   钛合金的钻削加工比较困难，常在加工过程中出现烧刀和断钻现象，其主要原因是钻头刃磨不良、排屑不及时、冷却不佳以及工艺系统刚性差等。
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    (1)钻头的选择：直径大于5mm的钻头，最好选用硬质合金YG8作为刀具材料；加工小于5mm的孔时，可用硬度大于63HRC的高速钢钻头(如M42或B201)；当孔深小于直径两倍时，采用斜槽(短型)的钻头；当孔深大于直径两倍时，采用麻花钻头。钻头的几何参数：λ=0°~3°，αc=13°~15°，2φ=120°~130°。

$ C4 }2 t: G  a2 L" r+ O! d    为了易于形成切屑、减少磨擦并改善钻头的切削能力，可根据钻头直径减少导向刃带的宽度至0.1~0.3mm，修磨横刃到0.1D，并双重刃磨顶角2φ=130°~140°，2φ=70°~80°。表4列出了双重锋角式钻头的几何参数。
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2 [( u3 {$ K" O2 Y' w" J: j    表4.双重锋角式钻头几何参数

    钻头直径(mm)－顶角2φ－第二顶角2φ0－第二锋刃后角α－b(mm)－c(mm)

& e/ x( N2 J$ z% t! N    >3~6－130°~140°－80°~140°－12°~18°－~1.5－0.4~0.8

    >6~10－130°~140°－80°~140°－12°~18°－1.5~2.5－0.6~1

    >10~18－125°~140°－80°~140°－12°~18°－2.5~4－0.8~1
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( ]# \, k. n$ x; j+ S* A    >18~30－125°~140°－80°~140°－12°~18°－4~6－1~1.5

    (2)切削用量

9 c& {- E( @" f; ^( t    硬质合金钻头：v=9~15m/min，f=0.05~0.2mm/r；高速钢钻头v=4~5m/min，f=0.05~0.3mm/r。

# E+ j& w0 B: y+ `) Q2 [* e& H    (3)钻削深孔或小直径孔时，可采取手动进给。钻孔时必须周期性地从孔中退出钻头，以便清除切屑。为了避免钻头强烈磨损，不能让钻头停留在孔中不进不退，否则钻刃会摩擦加工表面，造成加工硬化，使钻头变钝。钻孔时必须充沛地供给冷却润滑液。一般用豆油，必要时可加法国OLTIP钻孔攻丝专用油。尽可能提高工艺系统刚性，将钻模固定在工作台上，钻模宜贴近加工表面，尽量使钻头缩短。

3 N# p$ y( G" ?! z! A: ]    取钻头后面转角处的磨损h后=0.4~0.5mm作为钻头磨钝标准。
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6 E3 D8 B5 Y- b: |    (4)钻削实例：用钼高速钢钻头在α+β型TC4钛合金工件上进行钻削加工，钻头直径D=6.35mm，孔深H=12.7mm。选切削参数v=11.6m/min、f=0.127mm/r，使用乳化液冷却。刀具耐用度T以磨损宽度h后=0.38mm为标准，每根钻头可钻260个孔，效果极佳。（来源：天津职业大学） </TD