钛合金, 主要用于制作飞机发动机压气机部件, 其次为火箭, 导弹和高速飞机的结构件. 钛合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右, 仅为钢的60%, 纯钛的密度才接近普通钢的密度, 一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度. 因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料, 可制出单位强度高, 刚性好, 质轻的零部件. 飞机的发动机构件, 骨架, 蒙皮, 紧固件及起落架等都使用钛合金.
要想加工好钛合金, 必须对其对其加工机理和现象理解透彻. 很多加工方认为钛合金是一种极难加工的材料, 就是因为对其了解不够. 今天就当小编为大家来分析分析钛合金的加工机理及现象.
首先要讲的是钛合金加工的物理现象. 钛合金虽然加工时的切削力只是略高于同等硬度的钢, 但是加工钛合金的物理现象却比加工钢要复杂得多, 这就使钛合金加工的困难程度直线上升.
大多数的钛合金的热导率很低, 只有钢的1/7, 铝的1/16. 因此, 在切削钛合金过程中产生的热量不会迅速传递给工件或被切屑带走, 而集聚在切削区域, 所产生的温度可高达1 000℃以上, 使刀具的刃口迅速磨损, 崩裂和生成积屑瘤, 快速出现磨损的刀刃, 又使切削区域产生更多的热量, 进一步缩短刀具的寿命.
切削过程中产生的高温同时破坏了钛合金零件的表面完整性, 导致零件几何精度下降和出现严重减少其疲劳强度的加工硬化现象.
钛合金的弹性对零件性能来说可能是有益的, 但是在切削过程中, 工件的弹性变形是产生振动的重要原因. 切削压力使 '弹性' 的工件离开刀具和反弹, 从而使刀具与工件之间摩擦现象大于切削作用. 摩擦过程也会产生热, 加重了钛合金导热性不良问题.
在加工薄壁或环形等易变形零件时, 这个问题就显得更加严重了, 要将钛合金薄壁零件加工到预期的尺寸精度, 并不是一件容易的事. 因为随着工件材料被刀具推开时, 薄壁的局部变形已经超出弹性范围而产生塑性变形, 切削点的材料强度和硬度明显增加. 此时, 按照原先确定的切削速度加工就变得过高, 进一步导致刀具急剧磨损. 可以说, '热' 是导致钛合金加工难度大的 '病根' .
作为刀具行业的领头羊, 山特维克可乐满精心整理出了一份加工钛合金的工艺诀窍, 与整个行业共勉. 山特维克可乐满表示, 在理解钛合金加工机理的基础上, 加上以往的经验, 加工钛合金的主要工艺诀窍如下:
(1) 采用正角型几何形状的刀片, 以减少切削力, 切削热和工件的变形.
(2) 保持恒定的进给以避免工件的硬化, 在切削过程中刀具要始终处于进给状态, 铣削时径向吃刀量ae应为半径的30%.
(3) 采用高压大流量切削液, 以保证加工过程的热稳定性, 防止因温度过高导致工件表面变性和刀具损坏.
(4) 保持刀片刃口锋利, 钝的刀具是热集结和磨损的原因, 容易导致刀具失效.
(5) 尽可能在钛合金最软的状态加工, 因为淬硬后材料变得更难加工, 热处理提高了材料的强度并增加刀片的磨损.
(6) 使用大的刀尖圆弧半径或倒角切入, 尽可能把更多的刀刃进入切削. 这可以减少每一点的切削力和热量, 防止局部破损. 在铣削钛合金时, 各切削参数中切削速度对刀具寿命vc的影响最大, 径向吃刀量(铣削深度)ae次之.
钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难, 小于HB300时则容易出现粘刀现象, 也难于切削. 因此可以从刀片入手解决钛加工难题. 钛合金加工时出现的刀片沟槽磨损是后面和前面在沿切削深度方向上的局部磨损, 它往往是由于前期加工留下的硬化层所造成的. 刀具与工件材料在加工温度超过800℃的化学反应和扩散, 也是形成沟槽磨损的原因之一. 因为在加工过程中, 工件的钛分子在刀片的前面积聚, 在高压高温下 '焊接' 到刀刃上, 形成积屑瘤. 当积屑瘤从刀刃上剥离时, 将刀片的硬质合金涂层带走, 因此, 钛合金加工需要特殊的刀片材料和几何形状.
值得一提的是, 由于钛合金在加工会产生很高的热量, 因此大量高压切削液要及时准确地喷射到切削刃上, 才能够快速地将热量移除. 如今市场上也有专门用于钛合金加工的铣刀独特结构, 能够更好地适用于钛合金加工.
当下, 各国都在开发低成本和高性能的新型钛合金, 努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域, 我国也不遗余力在此领域奋勇前行. 相信通过全体行业人士的共同努力, 在未来钛合金的加工将不再是难题, 反而成为我国制造业发展的一把利刃, 为整个行业的发展披荆斩棘.