TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择 - 文章

TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择

作者：傅勇宗明辉刘应芗来源：《航空制造技术》

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本文提出的TA15、TB6钛合金切削加工用量及刀具的选择方法，在TA15、TB6钛合金零件研制过程中得到了验证，为今后进一步开展其他钛合金切削加工的研究提供了参考与借鉴。

TA15、TB6两种钛合金材料具有重量轻、强度高、耐热、耐腐蚀、疲劳性能好等一系列优良的力学、物理性能，成为航空航天、核能、船舶等领域理想的结构材料之一。但由于该材料价格昂贵，难加工，尤其是铣削加工制造周期长、成本高，制约了它的应用。而新一代航空产品需要具备更优异的性能新材料、新结构、新工艺被广泛应用。同时，为了竞争的需要，研制周期短和制造成本低是取胜的关键，因此，开展对TA15、TB6两种钛合金材料切削加工的研究是必要的，特别是铣削高效加工的探索尤其显得紧迫和重要。

TA15、TB6钛合金材料主要特征

TA15 a钛合金是a相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在930MPa以上，耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，500～600 ℃下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。

TB6 b钛合金是b相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在1105MPa 以上，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

TA15、TB6钛合金的切削加工工艺特性

·摩擦系数大，导热系数低，刀尖切削温度高。钛合金热导率仅为钢的1/4 、铝的1/14 、铜的1/25 , 因而散热慢，不利于热平衡。切削时产生的切削热都集中在刀尖上，使刀尖

·温度很高，易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。

·弹性模量小。钛合金的弹性模量只有30CrMnSi的56% ，这说明零件的刚性差，切削时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命；同时造成已加工面的弹性恢复较大，刀具后面摩擦增加导致刀具过快磨损。

·化学活性大。在300℃ 以上时有强烈的吸氢、氧、氮的特性，造成加工表面易产生脆硬的化合物，切屑形成短碎片状，使刀具极易磨损。

·钛合金化学亲和力较强，极易与其他金属亲和结合。在加工中切屑与刀具的粘结现象严重，使刀具的粘结和扩散磨损加大。

TA15、TB6钛合金零件切削用量和刀具参数的选择

1) 主要加工方法

钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄(2～3mm) ，主要配合表面的尺寸精度、形位公差又较严，因此每项结构件都必须按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排工序。主要表面分阶段反复加工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计图的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削、攻丝等。

2) 铣削用量及刀具的选择

钛合金结构件中大量应用铣削加工，如零件内外型面。

刀具应选择具有高硬度、高抗弯强度和韧性、耐磨性好、热硬性好、工艺性好、散热性好的材料，主要为高速钢W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金YG8、K3O、Y330。

刀具几何参数应以保证刀具强度高、刚性好、锋利为原则，细长比不能过大，并分粗、精加工两种，加工时最好采用顺铣。铣削刀具参数见表1，常规加工铣削用量见表2。

表1 铣削刀具参数

刀具		前角g₀ (°)	后角a₀ (°)	螺旋角b (°)	刀尖	齿背	备注
立铣刀	粗	O～4	12～15	30～45	按需	R形	b大：切削平稳
立铣刀	精	4～8	15～20	30～45	按需	R形	a₀大：切削力小，机床震动小
三面刃铣刀		3～10	12～15	-	按需	-	-
端铣刀		0～5	12～15	-	-	-	主偏角Ø45°～75°

表2 常规加工铣削用量

刀具材料	立铣刀直径d (mm)	切削速度V (m/min)	进给量f (mm/min)	切削深度a_p (mm)	切削宽度a_c (mm)	切削刃总长l (mm)	使用机床
K30	≤25	25～35	50～100	0.3～0.5	1.5	50～150	数控加工中心
K30	>25	25～35	100～150	0.3～0.5	2.5	50～150	数控加工中心

在上述常规加工的基础上，为进一步提高铣削加工效率，我们在强力铣加工中心机床上进行了高效铣削试验，获得了较理想的切削用量、刀具和切削液，铣削用量数据见表3。

表3 高效加工铣削用量

刀具材料	立铣刀直径d (mm)	切削速度V (m/min)	进给量f (mm/min)	切削深度a_p (mm)	切削宽度a_c (mm)	切削刃总长l (mm)	使用机床
K30	≤25	40～70	200～300	0.3～0.8	1.5～5	30～40	强力铣加工中心
K30	>25	40～120	300～400	0.3～0.8	2.5～8	30～60	强力铣加工中心

通过高效铣削与常规对比可以看出，高效铣削加工比常规加工效率提高了2～4倍，零件表面质量也得到较大的提高，加工周期大大缩短，制造成本相应降低。

3) 车削用量及刀具的选择

在刀具、切削用量、切削液选择合理的情况下，钛合金车削并不困难，与加工合金钢接近。但车削钛合金表面氧化皮较为困难，一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮，然后车削剩余的氧化皮，车削时切削深度应超过氧化皮深度1～5倍，走刀量可加大，但切削速度应降低。

刀具材料应选择YG类硬质合金材料。

刀具几何参数选择：前角g₀=4°～8°，后角a₀=12°～18°，主偏角Ø45°～75°，刃倾角l=0°，刀尖圆弧半径r=0.5～1.5mm 。

切削用量的选择：主轴转速n≥23Or/min，进给量f ≥0.10～0.15mm/r ，切削深度ap=1.5～2.0mm 。

车削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，提高刀具的耐用度。

4) 磨削用量及刀具的选择

磨削加工可获得较高精度，但由于钛合金的特有性质决定了钛合金磨削非常困难。磨削时砂轮磨损严重，容易变钝，磨削比也较低；同时易在表面产生有害的拉应力及严重的表面烧伤现象，因此应尽量避免磨削加工，以精铣代替。

磨削材料选择：磨削钛合金选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料。如出现磨削烧伤趋势，应使用人造金刚石或立方氮化硼砂轮，其效果好，但价格昂贵。砂轮硬度选择较软砂轮R3、ZR1、ZR2，粒度选择46、60为佳，选A类结合剂。

磨削用量选择见表4。

表4 磨削用量

磨削方法		砂轮速度v (m/s)	工作台速度V₁ (m/min)	工件速度V₂ (m/min)	磨削深度a_p (mm)	横向进给^①f_a (mm/st)	纵向进给^②f_b (mm/r) (砂轮宽度B)
平面磨	粗	15～18	10～20	-	0.025～0.035	0.5～4.0	-
平面磨	精	15～18	6～12	-	0.010(最大)	0.5～4.0	-
外圆磨	粗	15～18	-	15～30	0.025～O.035	-	1/5B
外圆磨	精	15～18	-	15～30	0.010(最大)	-	1/10B
注：①横向进给f_a(mm/st)指工作台每单行程砂轮对工件横向移动量；②纵向进给f_b(mm/r)指工件每旋转一转，砂轮对工件纵向移动量。

钛合金零件在磨削过程中必须充分冷却，否则零件会变色甚至烧伤。磨削液除具有冷却、润滑和冲洗作用外，更重要的还在于能有效地抑制钛与磨料的粘附和化学反应。

5) 钻削用量及钻头的选用

钛合金钻削材料应选择具有足够的硬度、强度、韧性、耐磨性及与钛合金亲合能力低的材料，主要为W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al、W12Cr4V4Mo、W2Mo9Cr4VCo5和YG8、K30等。

钻头的几何形状，应注意：

·适当增大钻头顶角，顶角范围由118°～120°增加到135 °～140°，其目的是增强切削部分并使切削厚度增加，改善钻削效果。

·选择合适的螺旋角β，β角增加，前角也增加，切削轻快，易于排屑，扭矩和轴向力也小，见表5。

表5 不同规格钻头的螺旋角

钻头直径D：(mm)	2～6	6～18	18～50
螺旋角b：(°)	43～45	40～42	35～40

·增大钻心厚度，以提高钻头强度。钻心厚度一般为：K=(0.45～0.32)D，D为钻头直径。
·增大钻头外缘处后角，可以使横刃锋利，改善切削性能，特别对钻心处的钻削加工有明显改善，外缘处后角选择见表6 。

表6 钻头直径与外缘处后角a_f的关系

钻头直径D：(mm)	2～6	6～18	18～50
外缘处后角a_f：(°)	17～20	15～18	12～15

·加工成倒锥K，减小棱带同孔壁摩擦，使钻头切削时扭矩减小，提高效率，倒锥度见表7。
钻削用量见表8 。

表7 钻头直径D与倒锥度的关系

钻头直径D：(mm)	2～6	6～18	18～50
倒锥度：(mm/100mm)	0.03～0.05	0.04～0.08	0.05～0.12

表8 钻头直径D与切削用量的关系

钻头直径D：(mm)	主轴转速(r/min)	进给量f (mm/r)
≤3	650～450	0.04～0.06
3～6	450～350	0.06～0.11
6～10	350～300	0.07～0.12
10～15	250～200	0.08～0.14
15～20	180～150	0.11～0.15
20～25	120～90	0.12～0.20

钛合金进行钻削和攻丝加工时最好不用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆。钻削浅孔时，可用电解切削液；钻削深孔时，可用N32机械油加煤油，也可用硫化切削。

6) 铰削用量及刀具的选用

钛合金铰孔是最后一道精加工工序，不仅要考虑生产率的问题，更重要的是要保证孔的加工质量(精度和表面粗糙度)。为此必须保证刀具质量，合理选择切削用量，注意铰刀与钻铰模的协调和正确的操作技术。通过钻孔→扩孔(粗铰)→精铰的加工方法，一般都能满足产品零件规定的要求。

刀具材料一般选用M42高速钢或硬质合金K30。刀具的几何参数为：前角g₀=3°～7°，后角a₀=12°～18°，主偏角Ø=5°～18°，刃倾角l=0°。校准部分刃带宽度b=0.05～0.15mm ，过宽容易同钛合金加工表面粘结，过窄容易在铰削时产生振动。铰刀齿数Z=4～8(铰刀直径为Ø10～20mm)。我们加工的肋和接头，因加工的两孔跨度较长，同轴度要求较高，为此专门设计了加长钻头和铰刀。

切削用量的选择见表9。

表9 铰削用量

刀具材料	铰刀直径D (mm)	主轴速度n (r/min)	每齿进给量a_r (mm)	铰削余量(单边)a_p (mm)
M42	≤10	250～120	0.02～0.04	粗铰：0.10～0.15
M42	>10～20	120～80	0.025～0.050	精铰：0.05～0.10
K30	≤10	800～400	0.02～0.04	粗铰：0.1～0.2
K30	>10～20	400～200	0.025～0.050	精铰：0.05～0.10

铰削时应不断地注人冷却润滑液以获得较好的表面粗糙度，同时应勤排屑，及时清除铰刀刃上的切屑末，铰削时要匀速地进退刀。

7) 攻丝用量及刀具参数的选

钛合金攻丝时会产生很大的挤压变形，作用在螺纹齿侧的摩擦力加大，这样不但使加工出来的螺纹表面粗糙度不好，而且丝锥容易折断。为了改变这种情况，可以采用跳牙丝锥或改进丝锥结构(加大校正段刀齿的后角或加大倒锥度)的方法，以减少切削扭矩和摩擦扭矩，增大容屑空间，改善攻丝的切削性能。另外，钛合金攻丝前的底孔直径一般应大于标准值，而且底孔的表面粗糙度应达到Ra≤3.2µm 。

刀具材料和几何参数选橄丝锥材料选用M2Al、M42高速钢。丝锥几何参数为：前角g₀=5°～8°，后角a₀=8°～10°，丝锥校堆段齿背圆柱刃带b₁=0.1～0.2mm 。主偏角Ø6°～10°(通孔)、Ø=15°～20°(不通孔)；头锥Ø=2°～3°，二锥Ø=4°～5°。

切削用量选择：攻丝的切削用量也只有速度(转速)一项可选，钛合金攻丝速度v为3～6m/min。攻丝时应及时清除丝锥刃部毛刺、切屑末，以免损伤螺纹；攻丝时要勤退刀。

攻丝时要加适量的冷却润滑液，建议使用蓖麻油或机油，以保证螺纹粗糙度要求。

洪都航空工业集团公司傅勇宗明辉刘应芗

傅勇：1987年毕业于南京航空航天大学机械制造工艺及设备专业，一直从事机械制造工艺技术工作。先后担任多个机型的型号主任师，现任洪都航空工业集团公司制造工程部零件工艺室主任，高级工程师。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/18/2007)


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