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鈦合金切削對(duì)刀具的設(shè)計(jì)及材質(zhì)要求

瀏覽: 時(shí)間:2019-03-29

合金難加工怎樣選用合金刀具材質(zhì),鈦合金切削加工中選用碩朔精密刀具材質(zhì)的特點(diǎn)

在制造行業(yè),經(jīng)常會(huì)有碰到加工鈦合金材料,而由于鈦的特性導(dǎo)致其極難加工;因鈦合金與常用金屬比較具有更好的強(qiáng)度、韌性、延展性以及較好抗氧化性與耐腐蝕性。這使得鈦合金在航空航天、汽車、化工和醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛使用。碩朔精密刀具針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)鈦合金的高速、高效切削加工;成為加工鈦合金刀具的關(guān)鍵所在。而加工鈦合金刀具的涂層在切削刀具中也起到很好的作用,好的涂層可以改善刀具耐磨性,提高其高溫硬度、隔熱性能、熱穩(wěn)定性、沖擊韌性等,從而大幅提高刀具的切削速度及使用壽命。


鈦合金加工存在的難點(diǎn)

a、變形系數(shù)小,在鈦合金材料的切削加工中是一個(gè)比較明顯的特征。在切削加工的過程中,切屑與前刀面接觸的面積太大,切屑在刀具的前刀面上行程比一般材料的切屑要大的多,在這樣長(zhǎng)時(shí)間的行走會(huì)導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重,而行走過程中還會(huì)發(fā)生摩擦導(dǎo)致刀具的溫度升高。

b、切削溫度高,一方面前面提到的變形系數(shù)小會(huì)導(dǎo)致一部分的溫度升高。而鈦合金切削加工過程中切削溫度高主要方面還是因?yàn)殁伜辖鸬膶?dǎo)熱系數(shù)非常的小,且切屑與刀具的前刀面的接觸的長(zhǎng)度短,在這些因素的影響下,切削過程中產(chǎn)生的熱量很難傳導(dǎo)出去,主要都存積在刀尖附近,造成局部溫度太高。

c、振動(dòng),在精加工時(shí)鈦合金的低彈性模量及動(dòng)態(tài)切削力是引起切削加工過程中振動(dòng)的主要原因。

d、鈦合金的熱導(dǎo)率很低,切削產(chǎn)生的熱量不易散出。鈦合金的車削過程是一個(gè)大應(yīng)力大應(yīng)變的過程,會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,在加工時(shí)所產(chǎn)生的高熱量不能有效擴(kuò)散,同時(shí)刀具的切削刃和切屑的接觸長(zhǎng)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。

e、鈦合金的化學(xué)作用大,在高溫下,鈦合金很容易與刀具材料起反應(yīng)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(jìn)行的。當(dāng)切削溫度高到一定的程度時(shí),空氣中的氮氧等分子與鈦材料能夠容易地產(chǎn)生化學(xué)作用,導(dǎo)致生成了一種脆硬表皮。而且在鈦材料的切削過程中工件的已加工表面所發(fā)生的塑性變形導(dǎo)致了冷硬現(xiàn)象的產(chǎn)生,在工件材料的已加工表面發(fā)生硬化現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都能夠使得刀具的磨損加劇、鈦材料的疲勞強(qiáng)度受到降低。

f、刀具極易磨損,刀具的磨損是很多綜合因素共同作用的結(jié)果,在鈦合金材料的切削加工過程中,極易造成刀具的崩刃現(xiàn)象產(chǎn)生,鈦材料在高溫的條件下一般都表現(xiàn)出刀具材料之間化學(xué)親和性比較強(qiáng),還有就是高溫下刀具與鈦合金材料容易發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象,這些都導(dǎo)致刀具的使用壽命太短。所以鈦合金材料的切削必須注意的兩個(gè)方面,就是保持低的切削溫度和提高刀具或被切削材料的剛度,涂層刀具就是一種提高刀具剛度的辦法。

  

關(guān)于鈦合金特性、應(yīng)用

鈦合金在韌性、延展性、特別是強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他金屬材料,可以制造出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)量輕的產(chǎn)品部件。近些年來鈦合金被大量用于飛機(jī)上以代替鋁合金,其原因就是由于鈦合金的熱穩(wěn)定性好,高溫強(qiáng)度高,在300~500℃下,其強(qiáng)度約比鋁合金高10倍,工作溫度可達(dá)500℃。對(duì)堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)越的抗腐蝕能力,同時(shí)鈦合金在潮濕的環(huán)境中以及海水介質(zhì)中,對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力遠(yuǎn)超不銹鋼。使用鈦合金加工制作的產(chǎn)品還具有硬度高、熔點(diǎn)高、無毒、無磁等特性。

基于上述一系列優(yōu)良的性能,鈦合金首先被應(yīng)用于航空。1953年,美國(guó)道格拉斯公司第一次把含鈦材料應(yīng)用于DC2T發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙以及防火壁上,取得了良好的效果。在航空航天領(lǐng)域,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)、蒙皮、機(jī)身和起落架等部位最先使用鈦合金作為關(guān)鍵材料,使得飛機(jī)整體減重約30%~35%。鈦合金還成功應(yīng)用于核潛艇的耐壓殼體、海水管路系統(tǒng)、冷凝器和熱交換器、排風(fēng)扇的葉片、推進(jìn)器和軸、彈簧、航母上的消防設(shè)備、螺旋槳、噴水推進(jìn)裝置、舵等船用部件。此外,由于鈦合金具有良好的生物相容性、耐腐蝕性、力學(xué)性和加工性能,已經(jīng)成為最適宜的生物醫(yī)學(xué)金屬材料,成功應(yīng)用于人工膝關(guān)節(jié)、股關(guān)節(jié)、齒科植入體、牙根及義齒金屬支架等,其中,醫(yī)用植入物材料常用Ti6Al4V,Ti3Al-2.5V合金也因其有好的冷成型性、耐腐蝕及力學(xué)性能在臨床上被用作股骨和脛骨的替換材料。

 

鈦合金切削刀具涂層現(xiàn)狀

由于鈦合金化學(xué)活性高,導(dǎo)熱系數(shù)低導(dǎo)致了切削過程中切削溫度高,化學(xué)反應(yīng)劇烈,刀具快速失效,造成刀具壽命短,加工成本高的問題。刀具磨損的原因包括機(jī)械摩擦和切削力和切削溫度作用下的物理、化學(xué)反應(yīng);針對(duì)鈦合金切削加工的困難性,所選的刀具材料必須滿足硬度高、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)大、化學(xué)穩(wěn)定性和紅硬性好的要求。

經(jīng)過業(yè)界試驗(yàn)表明,加工鈦合金效果較好的PCD金剛石刀具,但因其價(jià)格昂貴,因此限制了大范圍使用加工,而優(yōu)化工藝參數(shù)可以使鈦合金材料的切削加工效率得到一定提高,但幅度并不大;高壓切削液、低溫切削及熱管換熱冷卻潤(rùn)滑方式正在往這個(gè)方向研究,但目前實(shí)際切削加工中蘇州碩朔精密刀具使用硬度較高的硬質(zhì)合金材質(zhì)刀具進(jìn)行加工,結(jié)合物理氣相沉積PVD技術(shù),采用精細(xì)的TiN涂層的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行鈦合金切削加工較普通合金材質(zhì)加工效果明顯。其作用如圖1所示。

 

                                 圖1 硬質(zhì)合金刀具涂層提供的改性作用

傳統(tǒng)切削加工理論認(rèn)為涂層刀具并不能適用于加工鈦合金,這是由于傳統(tǒng)的涂層大多為二元TiC或三元TiCN涂層,而涂層中的Ti元素極易與工件發(fā)生親和作用而導(dǎo)致刀具快速失效。采用高速鋼基體的CrN和TiCN涂層與未涂層鎢鈷硬質(zhì)合金刀具對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行了切削加工,研究表明CrN涂層刀具的使用壽命要長(zhǎng)于TiCN涂層刀具和未涂層硬質(zhì)合金刀具。同時(shí)研究了在同等切削條件下,使用單層TiN涂層和多層的TiN/TiCN/TiN涂層進(jìn)行Ti6A14V鈦合金的切削實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明多層的涂層刀具切削時(shí)產(chǎn)生的溫度要低于單層,同時(shí)刀具使用壽命也高于單層涂層。


近幾年由于制備涂層的工藝和方法在不斷成熟與進(jìn)步,使得刀具涂層成分逐漸趨于多樣化,甚至針對(duì)每一種工件材料都有一種最合適的涂層材料,而且出現(xiàn)了軟涂層、超硬涂層、多層涂層、納米復(fù)合涂層等性能更好的涂層,所以越來越多的涂層刀具已經(jīng)被應(yīng)用到鈦合金的高速切削工中,并顯示了良好的優(yōu)越性,圖2為近年常用的硬質(zhì)合金涂層刀具。

 

圖2 典型涂層結(jié)構(gòu)

刀具涂層成分多元化,在單涂層中加入新的元素(如加入Zr和V會(huì)提高耐涂層磨損性,加入Si會(huì)提高涂層硬度并防止化學(xué)擴(kuò)散,加入B會(huì)增強(qiáng)涂層韌性,加入Al和Cr會(huì)提高涂層抗氧化性等)制備出的多元刀具涂層材料,也能有效提高了刀具的綜合使用情況。涂層材料也已從最開始的TiN、TiAlN、TiCN發(fā)展到現(xiàn)在的TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN、AlCrN、AlCrSiN、TiBN、CrN、ZrN等幾十種涂層材料。(如圖3)

 

圖3 硬質(zhì)合金刀具涂層發(fā)展歷程

(2)切削加工無污染化,當(dāng)前我國(guó)機(jī)械加工中主要采用濕式切削法,即在金屬切削加工時(shí),用切削液連續(xù)不斷的冷卻、潤(rùn)滑刀具和工件相接觸的部分,但是大量使用切削液會(huì)造成環(huán)境污染問題,同時(shí)由于切削過程中切削液產(chǎn)生的油煙對(duì)人體直接造成危害,可能誘發(fā)多種疾病。而且從加工成本計(jì)算,切削液占總成本的14%~16%,刀具成本只占2%~4%。研究表明如果20%的切削加工采用涂層刀具干式加工,總的制造成本可降低1.6%。此外,采用高速干切削可大幅提高加工效率,提高加工精度,降低表面粗糙度,并且更適合于加工薄壁零件。因此無論從環(huán)保角度還是從加工性能以及經(jīng)濟(jì)角度考慮,制造能滿足干式切削條件的涂層刀具是環(huán)保加工的方向之一。


同時(shí)隨著中國(guó)制造2025的提出,制造業(yè)迎來飛速發(fā)展,鈦合金的應(yīng)用會(huì)越來越多,對(duì)質(zhì)量以及精度要求也會(huì)不斷提高,如何選擇合適的鈦合金切削刀具,提高加工效率、降低生產(chǎn)成本,對(duì)汽車、航空航天、能源的重要工業(yè)部門的發(fā)展和制造業(yè)整體水平的提高有重要的意義。

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