数控加工机床为何难切削加工钛合金材料?

 

钛合金材具有高强度、高硬度和低密度材料特性,如合金 Ti-6Al-4V (简称 Ti-6-4 )抗拉强度达 900MPa ,硬度为 250 ~375HB ,密度 4.42 g/cm3 ,使得钛合金材整体结构件除在现代军用飞机上得到广泛应用外, 在现代大型客机上也得到了越来越多的应用, 其用材重量占飞机结构总重量百比数呈现快速上升趋势, 并已开始超过了钢结构件。 因此, 实现钛合金材结构件高效率切削加工已成为大型飞机制造生产之关键。 然而, 和铝合金材相比, 钛合金材属很难加工金属材,其切削加工的难点主要表现在如下若干方面:
  大切削力
  众所周知, 通常金属材料的硬度和强度越高, 则其切削加工所需要的切削力就越大, 切削温度就越高,刀具磨损就越快,故相对可加工性也就越差。如铝合金材相对可加工性系数 Kr为 2.0~7.5 ,高强度钢 Kr 为 0.3~0.7 ,钛合金 Kr 为 0.22 ~0.35 ,而航空高强度高温合金 Kr仅 0.07 ~0.3。因此,和切削加工铝合金等轻金属材相比,钛合金材切削加工需要更大切削力,通常需近 1,000 ~数千牛( Newton ,N),是普通钢材的 2~4 倍,是铝合金材的 10~40倍。如用一把 4 齿直径 32mm 的端铣刀 ,切深 19mm ,以 20 cm3/min 金属切除率切削加工钛合金材时将会产生 4,445N (1,000 lbs) 负载力,若刀具磨损50% ,负载力将增加至8,890N 。因此,加工钛合金等硬合金材需要大切削力就意味着需要高转矩主轴,或就意味着仅允许使用较低切削速度,大约仅为铝合金材时的 10% 。
  高切削温度
  切削加工钛合金材时,通常切屑与刀具前刀接触面较小,切削点的温度极高,可达1,100~1,200 ℃左右,切削区高温状态易使刀尖很快熔化或粘结,导致刀具磨损严重。此外,钛合金材热传导系数低,大约仅为合金钢的 15% ,铝合金材的 5%,(钛热传导系数15.24 W/mK ;钛合金 Ti-6-4 为 7.56 W/mK ;AISI 4340合金钢为 44.6 W/mK ;45 号钢为50.2 W/mK ;7075 铝合金为 130W/mK ),大约 80%切削加工过程中所产生的热量传入到刀具中,而不像典型高速切削加工铝合金等金属材那样有 75% 热量传入到切屑中,传到刀具仅约 15% 。因此,钛合金切削过程中刀具切削点的高温热量很难由切屑快速带走,加速了刀具磨损。这也就决定了对钛合金材必须采用高压大流量冷却液切削加工。
  易生成硬化层
  钛化学活性高,在高温状态下极易发生化学反应,导致切削表面生成硬化层,其深度可达0.1~0.15 mm ,致使表层硬度大幅度提高,加速了刀具磨损。 同时,高化学活性导致加工中切屑与刀具的粘结现象严重,也加速了刀具磨损。
  高摩擦功
  钛合金摩擦系数大, 导致在切削过程中, 切屑流经刀具前刀面时所需摩擦功大, 摩擦界面温度极高,进一步加速了刀具磨损。
  易产生弹性变形和振动
  钛合金弹性模量小(钛合金 Ti-6-4 为 110kN/mm2 ,钢 Ck45110kN/mm2 ,210kN/mm2 ),导致切削时易产生弹性变形和振动, 不仅影响零件加工尺寸精度和加工表面粗糙度,而且已加工面的弹性恢复较大,约为不锈钢的 2~3 倍,同样可加速刀具磨损。同时,钛合金低弹性模量使其具有明显橡胶特性趋势,容易使刀具切削刃产生屑瘤, 同样也可加速刀具磨损,制约了使用高切削速度。
  低切削速度
  前面所述的钛合金切削加工中所存在的问题, 将会导致其切削过程刀具磨损严重, 刀具耐用度降低。因此, 为改善钛合金材加工性能,保证切削刀具使用寿命,通常要求切削加工钛合金材使用较低切削速度。 如采用传统加工方法切削加工钛合金材零件, 其切削速度一般不超过 40~50m/min ,粗加工时金属切除率 mrr 一般不超过40cm3/min ,而精加工时 mrr 一般不超过 l0cm3/min 。而采用 HEM-HSM 加工时,目前切削速度可达 100~1,200m/min ,金属切除率 mrr 最高可达 700cm3/min ,见图。但在实际工业生产中一般均低于此最高值以确保刀具具有足够的耐用度,典型切削速度为 100~400m/min ,金属切除率 mrr 典型为100~400cm3/min 。

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