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      新型高強度鈦合金切削刀具技術(shù)研究
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      新型高強度鈦合金切削刀具技術(shù)研究

      發(fā)布時(shí)間 :2024-04-07 21:26:05 瀏覽次數 :

       引言

      鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性能和低溫性能好及熱強度高等優(yōu)點(diǎn),是航空航天工業(yè)中廣泛使用的材料[1]。國內航空、航天及軍工等行業(yè)已經(jīng)開(kāi)展了對鈦合金材料高速銑削的研究和應用,加工零件以結構件為主,主要解決加工效率和刀具耐用度的問(wèn)題[2]。

      TB18鈦合金是西部超導公司與國內高校、科研院所合作開(kāi)發(fā)的一種新型近β鈦合金,其名義成分為T(mén)i-5Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb-0.5Fe,經(jīng)熱處理后該合金的斷裂韌性與傳統高強度合金保持同一水平,但靜強度更高,同時(shí)具有良好的淬透性[3]。該材料的特點(diǎn)是高強度(1300MPa)、高黏性和高韌性,比常用的TC4、TC18、TC21材料的可加工性更差。由于目前國內外缺少對該材料的加工刀具和切削技術(shù)的針對性研究,市場(chǎng)上暫無(wú)合適的加工TB18鈦合金高效切削刀具,嚴重制約TB18材料的加工效率。

      本文從TB18鈦合金的銑削和鉆削兩類(lèi)典型刀具出發(fā),開(kāi)展刀具的結構選型和切削參數試驗研究,改進(jìn)刀具結構,制定粗、精加工最優(yōu)刀具選用方案,并進(jìn)行試驗驗證,達到提升TB18鈦合金加工效率、提高刀具使用壽命的目標。該研究為T(mén)B18新型鈦合金材料的切削加工提供了一定的參考。

      2、TB18材料切削加工問(wèn)題分析

      由于新型超高強度鈦合金材料TB18的化學(xué)成分中金屬元素Mo,Cr,V以及稀有元素Nb的存在,使TB18鈦合金材料相對于常用TC4,TC18,TC21鈦合金的可加工性能極差,尤其在熱處理后材料抗拉強度達到σb=1315MPa時(shí)。對TB18鈦合金材料(熱處理后)的切削性能開(kāi)展研究,根據粗、精加工選取不同類(lèi)型的通用鈦合金刀具進(jìn)行試驗,刀具的切削參數及刀具使用壽命見(jiàn)表1。

      360截圖16450626313832.jpg

      與常用的TC4、TC18、TC21材料切削過(guò)程對比,銑削、鉆削TB18材料時(shí)主要面臨的問(wèn)題有:

      ①銑削加工刀具(可轉位刀片式快進(jìn)給、整硬合金銑刀等通用機械加工刀具)磨損快,易崩裂,刀具壽命極低。同等切削條件下與加工常用鈦合金的刀具壽命相比,粗加工快進(jìn)給銑刀片壽命縮短了50%~80%,精加工整硬合金銑刀壽命縮短67%~83%。經(jīng)分析,刀具失效方式為月牙洼、積屑瘤導致的快速燒蝕和崩刃(見(jiàn)圖1)。

      360截圖16511003666244.jpg

      ②鉆削加工時(shí)材料難以斷屑(見(jiàn)圖2),刀具刃口切屑黏結且容易崩刃,U鉆(?20mm)加工孔深90mm的內孔需要更換三次刀片才能完成,刀片壽命短,使用過(guò)程需頻繁更換,加工效率極低。

      360截圖16560316102113117.jpg

      ③銑削加工效率更低。粗加工快進(jìn)給銑刀切削線(xiàn)速度為20~30m/min,為常用鈦合金加工刀具的30%,進(jìn)給速度150~400mm/min,為常用鈦合金加工刀具的25%~30%,加工效率大幅降低,精加工整硬合金銑刀的加工工藝參數也遠低于常規鈦合金刀具。

      通過(guò)試驗發(fā)現,導致加工TB18材料的各類(lèi)刀具失效的主要形式為刀具快速磨損和燒蝕。經(jīng)初步分析,與通用鈦合金相比,TB18材料具有更高的黏性,極易產(chǎn)生切削熱,且由于加工過(guò)程未得到充分冷卻,加劇了刀具的黏結和燒蝕,造成刀具失效。

      3、試驗研究

      3.1試驗方案

      為了提高TB18材料的加工效率與刀具壽命,針對不同的加工工況開(kāi)展刀具選型試驗,以提高加工效率和刀具壽命為目標,優(yōu)化刀具結構,并通過(guò)試驗確定加工工藝參數。

      3.1.1銑削工序粗加工

      在使用大直徑?80mm、主偏角12°的快進(jìn)給銑刀進(jìn)行粗加工時(shí),做出以下改進(jìn):①為提高刀片壽命,降低切削刃與工件的接觸面積,將原有快進(jìn)給刀具7°的主偏角增加為9°;②為解決材料高黏、刀具易燒蝕問(wèn)題,優(yōu)選牌號2000Ti新型切削液,減小銑削過(guò)程中的切削熱;③為避免切削抗力大造成毛料振動(dòng)過(guò)高、刀片崩碎情況的發(fā)生,調整刀具軸向前角為11°,徑向前角為6.5°,保證切削過(guò)程穩定。

      3.1.2銑削工序精加工

      以原先試驗使用的?25mm硬質(zhì)合金立銑刀為例,由于TB18鈦合金的高強、高黏特性,試驗過(guò)程中極易產(chǎn)生刀具振動(dòng)以及大量切削熱,為避免刀具失效,提高精加工效率,本文對傳統刀具進(jìn)行結構改進(jìn),設計了密齒前波刃整體硬質(zhì)合金銑刀(見(jiàn)圖3)。

      360截圖16610722594858.jpg

      具體改進(jìn)為:①通過(guò)公式F=fz×N×Z可以看出,在進(jìn)給速度不變的情況下,增加齒數可以減小每齒進(jìn)給量,延長(cháng)刀具壽命,因此將齒數從4齒更改為6齒;②為了增強斷屑能力,將前刀面變?yōu)榍安ㄈ械毒呓Y構;③選擇Co含量為10%的整體硬質(zhì)合金材料,以平衡刀具的韌性和耐磨性;④選用AlTiN基多層涂層增加刀具的耐磨性;⑤設計多孔內冷結構,加強冷卻效果,減小切削熱。

      3.1.3鉆削加工

      由于TB18鉆孔時(shí)高黏、高強鈦屑不易排出,冷卻無(wú)法及時(shí)到達切削部位,刀尖易燒傷崩齒,甚至刀體斷裂。根據上述加工特點(diǎn),以直徑20mm為區分,擬進(jìn)行如下技術(shù)選型和設計優(yōu)化。對于D≤20mm的孔加工:①采用整體硬質(zhì)合金鉆頭(見(jiàn)圖4),鉆頭采用雙刃帶設計,提高刀具的穩定性;②刀體排屑槽螺旋角采用12°結構設計且齒槽拋光處理,減少鈦屑與刀體接觸面,降低摩擦,減小切削熱;③加大倒錐度為0.25/100,減小鉆頭與孔壁的摩擦;④加大內冷孔,提高冷卻效果和排屑能力;⑤優(yōu)選AlCrZr基涂層增加刀具的耐磨性。

      360截圖166611291129799.jpg

      對于D>20mm的孔加工:①采用可轉位U鉆,刀片采用復合涂層,增加刀片耐磨性;②配備12bar以上冷卻液壓力,提高切削冷卻效果;③孔加工方式選用切削量逐層遞減的切削方式,前1/3孔深處加大每齒進(jìn)給量,提高加工效率,后2/3采用逐層遞減,提高耐磨性;④周邊刀片和中心刀片采用不同材質(zhì),所用中心刀片能夠實(shí)現逐步進(jìn)刀方式,達到切削力均勻分布;周邊刀片采用Wiper技術(shù),以提高孔壁質(zhì)量(見(jiàn)圖5)。

      360截圖16240131373646.jpg

      3.2試驗結果

      采用快進(jìn)給銑刀在5A3P重型切削機床上進(jìn)行銑削試驗,優(yōu)化后的刀具可適應更大的每齒進(jìn)給量,對切削加工參數進(jìn)行優(yōu)化后,切削效率和刀具壽命均有所提升(見(jiàn)表2)。優(yōu)化后刀具的切削線(xiàn)速度可達40m/min,刀具的斷屑效果、切削力和振動(dòng)等均得到明顯改善(見(jiàn)表3)。

      360截圖16650209242438.jpg

      優(yōu)化后的硬質(zhì)合金鉆頭壽命由原來(lái)的15min提升到60min,孔壁比原先更光滑(見(jiàn)表4)。優(yōu)化后的U鉆壽命從20min/把提升至50min/把,是原先的2.5倍,孔壁更光滑(見(jiàn)表5)。

      360截圖164408099010983.jpg

      3.3對比分析

      通過(guò)試驗前后數據對比,優(yōu)化后的TB18鈦合金刀具加工效率及壽命均有所提升。

      效率提升:TB18鈦合金粗銑快進(jìn)給銑刀的金屬去除率從32.6cm3/min提升至50.4cm3/min,提升至原來(lái)的1.5倍;精銑硬質(zhì)合金立銑刀切削線(xiàn)速度從26.3m/min提升至40.035m/min,提升至原來(lái)的1.5倍。

      壽命提升:用于TB18材料粗銑的快進(jìn)給銑刀刀具壽命從60min/把提升了90min/把,提升了1.5倍;硬質(zhì)合金銑刀的刀具壽命從30min/把提升了83min/把,提升了2.8倍;硬質(zhì)合金鉆頭壽命從15min提升至60min,提升了4倍;U鉆壽命從20min/把提升了50min/把,提升了2.5倍。

      4、結語(yǔ)

      通過(guò)刀具切削對比試驗對新型鈦合金TB18的切削性能進(jìn)行研究,分析刀具的主要失效形式,優(yōu)化改進(jìn)刀具結構并合理選取切削參數,得出以下主要結論。

      (1)與通用鈦合金的切削加工相比,TB18材料具有更高的黏性,極易產(chǎn)生切削熱,刀具失效的主要形式為刀具快速磨損和燒蝕。

      (2)對典型鉆削、銑削刀具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),經(jīng)試驗驗證,改進(jìn)后的刀具可有效降低切削過(guò)程中摩擦熱的產(chǎn)生,刀具壽命提升明顯。

      (3)為提高生產(chǎn)效率、降低加工成本,本文對切削參數進(jìn)行優(yōu)化。試驗結果表明,優(yōu)化后的切削參數可以使加工效率得到有效提升,驗證了切削參數優(yōu)化方案的可行性,為今后TB18材料的加工提供一定的參考。

      參考文獻

      [1]劉瑩瑩,陳子勇,金頭男,等.600℃高溫鈦合金發(fā)展現狀與展望[J].材料導報,2018,32(11):1863-1883.

      [2]付秀麗,艾興,張松,等.航空整體結構件的高速切削加工[J].工具技術(shù),2006,40(3):80-83.

      [3]李少強,弓站朋,李輝,等.TB18鈦合金熱變形行為及動(dòng)態(tài)再結晶機制[J].稀有金屬材料與工程,2020,49(9):3045-3051.

      第一作者:姜怡君,工程師,中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司,710089西安市

      FirstAuthor:JiangYijun,Engineer,AVICXi′anAirCraftIn-dustryGroupCoMPanyLtd.,Xi′an710089,China

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