钛合金加工的现状与展望

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1、钛合金加工的现状与展望钛合金加工的现状与展望同济大学现代制造技术研究所(上海200092)张曙谭惠民钛合金及其在工业中的应用钛具有强度高,重量轻和优异的耐腐蚀性,解决了很多的工程难题.如钛比钢的强度高30%以上,但重量轻近50%;钛比铝重一倍,但强度高60%.钛合金是铝,锰,铁,钼和其他金属的合金,以增加钛的强度和耐高温性能,分为一钛合金,13.钛合金,o【13一钛合金和较新的钛铝合金,其中Gcp一钛合金(Ti6A14V)应用最为广泛.钛合金的高耐蚀性也是一种宝贵的特点,当暴露于大气中时,钛能形成抗拒许多腐蚀

2、性物料的氧化膜.钛合金凭借其优越的属性,特别是强度重量比很高,在新兴的航空航天工业中获得越来越广泛的应用.例如,机身的结构部件,起落架,液压系统,航空发动机零部件等.近年来在新型飞机上,钛合金材料所占的比例已经由5%提高到14%以上.火箭,导弹和飞船的钛合金零部件所占比例更高.航空航天工业是钛及其合金产品的最大市场.随着钛合金的成本降低,使其工业应用逐渐扩展到造船工业,例如潜艇,船舶螺旋桨,索具和其他需要高耐腐蚀性的零部件.此外,由于钛与人体组织的亲和性,正在越来越多地用于医学工程,成为人体植入物和骨骼修复的

3、主要材料.在汽车工业,近年来开始使用钛合金制造发动机气门,连杆,车轮轮毂螺钉,排气系统和悬挂弹簧.钛合金组件可在增加发动机功率和转矩的同时2;20ww7~,字me箩tol7worklnllg$O.com争磊.冷加工'',V,一…提高燃油经济性,并解决噪声和振动的问题.钛合金零部件降低材料重量约50%,并大幅度提高其使用寿命.钛悬挂弹簧不仅降低重量70%,而且允许增加有效载荷和更大的乘用空间.虽然钛合金一直是被认为是昂贵的材料,但随着生产技术的进展及工业市场的消费量增加,使其成本陡然降低,应用前景极其广阔.按照

4、以往的经验,钛合金被视为难加工材料,令人望而生畏.但是,随着钛合金应用的日渐普及,人们对钛合金加工机理的认识逐步深入,针对钛合金加工的新刀具和新机床的出现,以及加工经验的积累,现在已经具备了坚实的知识基础和装备条件.可以认为,钛合金的加工已经不比加工高合金不锈钢难.本文将从钛合金加工工艺,刀具和机床几方面,介绍钛合金加工的最新进展.钛合金的加工工艺和刀具为什么我们认为钛合金是一种难加工材料?因为对其加工机理和现象缺乏深刻的认识.1.钛加工的物理现象钛合金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

5、理现象比加工钢要复杂得多,从而使钛合金加工面临巨大的困难.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1000℃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

6、,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.加工薄壁或环形等易变形零件时,这个问题就更加严重,将钛合金薄壁零件加工到预期的尺寸精度不是一件容易的事.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."热"是钛合金难加工的"罪魁祸首"12.加工钛合金的工艺诀窍在理解

7、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,铣削时径向吃刀量矗应为半径的30%,如图1所示.保持切削状态Ⅱ=O.3图1切削过程要始终处于进给状态(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,

8、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y.的影响最大,径向吃刀量(铣削深度)次之,如图2所示.I—●■■■■—■■■■l——■—■●●■—●a.l■■■——■■■—■一f————■■■—■II■——■—●——■-z