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鈦合金難加工的4大原因和6大對策!

發(fā)布時(shí)間:2024-04-22 20:52:38 丨 瀏覽次數:

       鈦合金有許多優(yōu)點(diǎn)。例如:高耐腐蝕性、低密度高強度、無(wú)磁性、生物相容性、耐高溫等。然而,鈦合金實(shí)際上很難加工,需要特殊的切削工具。本文將討論鈦合金難以加工的原因以及可采取的對策。

1、鈦合金難以加工的原因

       首先,溫度集中       

       大多數鈦合金的熱導率都很低,只有鋼的1/7,鋁的1/16和銅的1/25。因此,鈦合金切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不會(huì )迅速轉移到工件或被切屑帶走,而是集中在切削區域。

切削刃產(chǎn)生的溫度可達1000℃,導致刀具切削刃快速磨損和開(kāi)裂,導致切屑堆積,縮短刀具壽命。

       切削過(guò)程中產(chǎn)生的高溫也破壞了鈦合金零件的表面完整性,導致零件的幾何精度下降,并出現加工硬化現象,嚴重降低了其疲勞強度。

       第二,彈性變形

       鈦合金彈性模量不是很高,例如TC4的彈性模量?jì)H為110Gpa,而45鋼為210Gpa,303,304,316等不銹鋼的彈性模量也在200Gpa左右,所以加工鈦合金時(shí),容易產(chǎn)生彈性變形。

       在加工薄壁或環(huán)形零件時(shí),這個(gè)問(wèn)題更為嚴重。將鈦合金薄壁件加工到預期的尺寸精度并不容易。因為當工件材料被刀具推開(kāi)時(shí),薄壁局部變形已超過(guò)彈性范圍,產(chǎn)生塑性變形,切削點(diǎn)材料強度和硬度顯著(zhù)增加。

       切削壓力使“有彈性”的工件離開(kāi)刀具并回彈,使刀具與工件之間的摩擦力大于切削作用,摩擦過(guò)程會(huì )產(chǎn)生熱量,加劇了鈦合金導熱性差的問(wèn)題。

       第三,鈦合金的親和力好,導致在車(chē)削和鉆孔過(guò)程中會(huì )形成長(cháng)而連續的切屑,這些切屑會(huì )纏住刀具并妨礙功能。切削深度過(guò)大時(shí),會(huì )造成粘刀,燒刀,斷裂等。

       當然親和力好在其他地方也蠻有用,比如在離子泵中,用來(lái)做鈦陰極板,當鈦原子被濺射到陽(yáng)極管壁,可起到吸附氣體作用,從而產(chǎn)生超高真空。

       第四,振動(dòng)

       鈦合金的彈性可能有利于零件的性能,但在切削過(guò)程中,工件的彈性變形是產(chǎn)生振動(dòng)的重要原因。

       加工鈦合金產(chǎn)生的振動(dòng)大約是鋼的10倍。由于切削熱集中到切削部分,會(huì )產(chǎn)生鋸齒形切屑,并導致切削功率波動(dòng)。

2、鈦合金難加工的對策

首先,冷卻

       可以使用冷卻液來(lái)降低切削過(guò)程產(chǎn)生的高溫,通常,非可溶性油冷卻液用于低速重載切削和剪切,可溶性切削冷卻液用于高速切削或剪切。

       另外可使用低溫切削法,采用液氮(-180℃)或液態(tài)CO2(-76℃)作為切削液,可以降低切削區的溫度。該方法可將主切削力降低20%,切削溫度可降低300℃以上,同時(shí)積屑瘤消失,加工表面質(zhì)量提高,刀具耐用度提高2到3次。

第二,選擇合適的刀具

       選擇正確的切削刀具,可以獲得很好的改進(jìn)。

       由于熱量必須通過(guò)切削刃和冷卻液排出,而不是像鋼材那樣通過(guò)切屑排出,因此切削刃的一小部分必須承受極高的熱應力和機械應力,使用鋒利的切削刃減小切削力。

       另外,可通過(guò)使用帶有拋光凹槽的研磨和高正角可轉位刀片,來(lái)降低切削壓力。

       如果需要,還可以使用帶涂層的刀具,抵抗合金的粘性并打碎長(cháng)切屑,從而較大限度地減少排屑過(guò)程中的摩擦,這都有助于防止加工過(guò)程中產(chǎn)生熱量。

第三,恒定進(jìn)給或者增加進(jìn)給率

       鈦容易加工硬化,即切削材料時(shí),鈦變得更硬,因此更易磨損工具,恒定進(jìn)給可確保加工硬化保持在較低限度。

       當然,如果機器允許,可以增加進(jìn)給率,這意味著(zhù)刀具在特定區域花費的時(shí)間更少,因此沒(méi)有更多的時(shí)間進(jìn)行熱量積累和加工硬化。

第四,降低切割速度

       例如使用鋼切割速度的1/3或更低,以進(jìn)行放熱控制。

第五,根據工藝更換刀具

       陶瓷、碳化鈦和氮化鈦涂層刀具用于加工鈦合金,壽命會(huì )變短,通常,使用硬質(zhì)剛刀具切割大量鈦,使用高速硬質(zhì)合金刀具切割少量鈦。

       目前,超聲波加工正在研發(fā)中,目標是減少刀具的接觸時(shí)間,延長(cháng)刀具壽命。

第六,使用高剛性機床

       堅固耐用的機床對于成功加工鈦合金很重要。

       理想的鈦合金銑床必須是剛性的,主軸必須能夠在低轉速和高扭矩下運行。

       這有助于吸收振動(dòng)并減少切削過(guò)程中的顫振,這是加工鈦合金時(shí)的常見(jiàn)問(wèn)題。

       然后就是,應該定期清潔加工設備和刀具,以防止碎屑沉積。


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