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鈦合金車削加工刀具和切削用量的研究

發布時間 :2019-06-17 15:21:40 瀏覽次數 :

鈦合金是繼鐵、鋁之后的第三金屬材料,由于鈦合金具有無磁性、抗腐蝕性好、熱強度高、質量輕等優點,最初它在美國的航空航天領域的應用中占有很重要的地位。隨后世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性,并相繼對其進行了研究開發,廣泛應用于工業生產、人民的日常生活中。鈦合金在生物醫學方面有應用,鈦合金在民用領域方面有應用:鈦合金在自行車行業、汽車行業及體育行業都有廣泛的應用。鈦合金制品應用勢頭發展迅猛的另一行業是汽車業。研發直現今,汽車發動機氣門、曲軸、連桿、懸簧、消音器和車體等,都用上了鈦或鈦合金。

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1、鈦合金的組織和性能

根據退火處理后鈦合金的金相組織分,鈦合金可分為α、(α+β)、β鈦合金三類(PCBN高速切削鈦合金實驗研究)。

(1)α鈦合金

退火組織為單一α相固溶體的鈦合金稱為a鈦合金。a鈦合金主要以添加含有a穩定元素Al和中性元素,基本上不含或僅含少量的β穩定元素。廣義上的a鈦合金包括平衡狀態下含有很少β相的近a鈦合金。a鈦合金的特點是組織穩定,高溫性能好,熱穩定性好,是耐熱鈦合會的基礎。但由于其不能承受熱處理強化,因此室溫下強度不是很高。

(2)β鈦合金

從β區淬火后能將高溫的β-Ti穩定至室溫即得到β鈦合金或介β鈦合金。廣義上的β鈦合金包含平衡狀態下不含α相的全β鈦合金、具有較少α相的介穩定β鈦合金以及具有較多α相的近β鈦合金。由于β鈦合金體的心立方晶格結構,滑移系多,易產生塑性變形,高溫組織穩定性差。

(3)α+β鈦合金

α+β鈦合金是以α相為基體,添加適當的β穩定元素,一般也稱為雙相鈦合金。兩相鈦合金具有較好的綜合力學性能,強度高于α鈦合金,同時又保留了α鈦合金的耐熱性,可進行熱處理強化,熱加工性好。但該類鈦合金組織穩定性相對α鈦合金較差,α+β鈦合金中低β相含量的焊接性能良好,β相含量的越多,焊接性能會越差。

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鈦合金按其性能特點,可分為耐熱鈦合金、高強度鈦合金、中強度鈦合金、低強度高塑性鈦合金等。

2、鈦合金切削加工的特點

鈦合金所具有的一系列物理和化學性能給車削鈦合金帶來了很多困難,

(1)鈦合金的熱導率很低,切削產生的熱量不易散出。鈦合金的車削過程是一個非線性大應變的過程,會產生大量的熱量,在加工時所產生的高熱量不能有效擴散,同時刀具的切削刃和切屑的接觸長度短,使熱量大量聚集在切削刃上,溫度急劇上升,刀刃軟化,加快刀具磨損。

(2)鈦合金的化學性能很大。一方面,高溫下,鈦合金很容易與刀具材料起反應加速了月牙洼的形成。但是鈦合金的切削過程基本上是在高溫下進行的。另一方面,在較高的切削溫度下,鈦合金容易和空氣中的氧和氮產生化學反應,形成脆而硬的外皮,再加上切削過程中的工件已加工表面產生的塑性變形也會造成表面硬化現象,這種現象稱為冷硬現象。冷硬現象不僅降低鈦合金零件的疲勞強度,而且加劇刀具磨損,是切削鈦合金時的一個重要特點。

(3)變形系數小。這是鈦合金切削加工的顯著性特點,變形系數小于或者接近于l。在加工過程中,切屑與前刀面接觸的面積太大,切屑在前刀面上滑動的距離太長,大大增加了刀具的磨損,同時也提高了切削區的溫度。

(4)刀具易磨損。毛坯經過沖壓、鍛造、熱軋等工藝處理后,形成硬而脆的不均勻外皮,極易造成崩刃現象,所以切除硬皮成為鈦合金切削過程中最困難的工序。另外,由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強,容易出現切削溫度高和單位面積上切削力大,刀具上容易產生粘結磨損。

在鈦合金切削加工過程中的,阻礙其廣泛使用的主要原因是鈦合金加工的高成本是。因為鈦合金材料比較昂貴,加工又很困難,加工鈦合金的刀具比加工普通的材料的刀具要求高太多,特別是在高速切削加工過程和精加工過程中,刀具的要求非常的高,但最后的鈦合金的切削用量不高,加工的成本太高。在我國高性能專用機床、刀具的國產化程度比較低,鈦合金車削過程中的切削用量的選擇也很不合理,嚴重制約了我國鈦合金切削加工水平的提高。歸根結底,鈦合金高速切削加工的基礎理論和工藝規范不夠完善,導致高性能機床和刀具無法充分發揮其效能,制約了鈦合金高速切削技術的進一步發展和應用。因此深入研究鈦合金高速切削的機理,并優化工藝參數,是提高鈦合金加工工藝水平的主要措施之一。

3、鈦合金材料切削加工的基本原則

(1)切削速度要低。因為切削速度對切削刃的溫度影響很大,切削速度越高,則切削刃溫度劇增,切削刃溫度的高低直接影響著刀具的壽命,所以要選擇合適的切削速度。

(2)切削深度要大。通過實驗證明,切削深度對刀刃溫度影響較小,所以采用較低的切削速度、增大切削深度對鈦合金的切削是有利的,特別是粗車時,要保證刀刃完全進入被切削的鈦合金表面內,以防止產生磨損或崩刃現象。

(3)切削加工中不能停止走刀。切削中停止走刀,刀刃和被切削鈦合金就會在高負荷下長時間摩擦,容易引起鈦合金的加工硬化,產生燒結和擠裂而損壞刀具。

3.1 刀具的幾何角度選擇

前角和后角的選擇對于鈦合金的車削加工最重要的。鐵合金導熱性能差,車削過程中產生的大量熱,這些切削熱絕大部分集中在刀刃處,導致刀尖處的溫度急劇升高。因此,一般情況下刀具都會比較鋒利,適當的增大刀具的后角,這樣可以減少切削刃處產生的切削熱,同時還能夠提高切削力,有利于保護刀尖。但是后角也不能增加的太大,會降低刀具的強度,導致刀具過快磨損甚至崩刃,綜合考慮,鈦合金的車削加工一般情況后角的選擇應該是10°到16°之間。用高速鋼或者硬質合金車刀精車時,前角一般選取的比較小,一般選取0°到5°。而進行粗車時,硬質合金車刀前角的選擇一般在0°到-5°。高速鋼車刀前角一般選擇在5°到10°之間。一般情況下,會選擇0.05到0.1mm的負倒棱,負倒棱角一般選擇在-10°到0°之間,以增加刀刃的強度以及散熱面積。對于刃傾角的選擇,粗車一般選擇3°到5°的刃傾角,而精車時一般無刃傾角。對于主偏角的選擇,粗車時主偏角應該選擇得小些,一般選擇在45°到75°之間,精車時主偏角一般選擇在75°到90°之間。對于負偏角的選擇,很多做鈦合金車削研究的專家,都選擇了15°的負偏角。對于刀尖圓弧或過渡刃的選擇,精車時,刀尖圓角一般選擇在0.5mm左右;粗車時,可適當加大,但不大于1.5mm。對于刀具角度的選擇一般是基于消除因機床或工件索統剛性不足產生的振動、改善了散熱條件、提高了刀具的耐用度等原則考慮的。

3.2 切削用量的選擇

對于切削用量的選擇,不同的加工方式對切削用量的要求也不同。對于粗加工,由于對加工工件的表面質量的要求沒有精加工高,主要是為了將工件表面的剩余材料切削掉,對表面質量和幾何尺寸要求都不高。而精車就不一樣了,工件的直徑幾何尺寸要合格,而且對表面的粗糙度要求也也要合格。所以就需要選擇較大的切削速度,較小的切削深度以及比較小的進給量。切削用量的選擇一般如下;

粗車:切削速度v=40~50m/min 進給量f=0.2~0.3mm/r

切削深度ap=3~5mm

精車:切削速度v=50~55m/min 進給量f=0.1~0.15mm/r

切削深度ap=0.2~0.5mm

綜上所述,鈦合金由于其優良的性能在航空航天工業以及許多的民用工業的使用比例逐年增加,但因為其切削加工成本非常高然而加工效率又非常低的影響,目前鈦合金的應用受到較大限制。本論文為鈦合金的車削加工為刀具的幾何參數的選擇和切削用量的選擇提供了參考。隨著刀具材料的研發和加工工藝的不斷完善,鈦合金的加工效率會大大地提高,加工成本將會明顯下降,從而在造船、汽車制造、化工、電子、海洋開發等領域擁有廣闊的應用前景。


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