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鈦合金難加工怎樣選用合金刀具材質(zhì)

發(fā)布時間:2019-03-29 瀏覽:

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鈦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

在制造行業(yè)，經(jīng)常會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

。碩朔精密刀具針對如何實現(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。

關(guān)于鈦合金特性

、應(yīng)用

鈦合金在韌性

、延展性

、特別是強度遠遠超過其他金屬材料

，可以制造出單位強度高、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，高溫強度高

，在300~500℃下

，其強度約比鋁合金高10倍，工作溫度可達500℃

。對堿

、氯化物、氯的有機物品

、硝酸、硫酸等有優(yōu)越的抗腐蝕能力

，同時鈦合金在潮濕的環(huán)境中以及海水介質(zhì)中，對點蝕

、酸蝕

、應(yīng)力腐蝕的抵抗力遠超不銹鋼。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

，美國道格拉斯公司第一次把含鈦材料應(yīng)用于DC2T發(fā)動機吊艙以及防火壁上

，取得了良好的效果。在航空航天領(lǐng)域

，航空發(fā)動機的風(fēng)扇、壓氣機

、蒙皮

、機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、推進器和軸

、彈簧

、航母上的消防設(shè)備

、螺旋槳

、噴水推進裝置、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。

鈦合金加工存在的難點

（1）變形系數(shù)小

，在鈦合金材料的切削加工中是一個比較明顯的特征

。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

，在這樣長時間的行走會導(dǎo)致刀具磨損嚴重

，而行走過程中還會發(fā)生摩擦導(dǎo)致刀具的溫度升高。

（2）切削溫度高

，一方面前面提到的變形系數(shù)小會導(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為鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)非常的小，且切屑與刀具的前刀面的接觸的長度短

，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

。

（3）振動

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

。

（4）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大應(yīng)力大應(yīng)變的過程

，會產(chǎn)生大量的熱量

，在加工時所產(chǎn)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

。

（5）鈦合金的化學(xué)作用大

，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行的

。當切削溫度高到一定的程度時，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

、鈦材料的疲勞強度受到降低

。

（6）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，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

。

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)界試驗表明

，加工鈦合金效果較好的PCD金剛石刀具，但因其價格昂貴

，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滑方式正在往這個方向研究，但目前實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)刀具進行加工

，結(jié)合物理氣相沉積PVD技術(shù)，采用精細的TiN涂層的硬質(zhì)合金刀具進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TC4鈦合金進行了切削加工

，研究表明CrN涂層刀具的使用壽命要長于TiCN涂層刀具和未涂層硬質(zhì)合金刀具

。同時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涂層進行Ti6A14V鈦合金的切削實驗

，結(jié)果表明多層的涂層刀具切削時產(chǎn)生的溫度要低于單層

，同時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步

，使得刀具涂層成分逐漸趨于多樣化

，甚至針對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會提高耐涂層磨損性

，加入Si會提高涂層硬度并防止化學(xué)擴散

，加入B會增強涂層韌性，加入Al和Cr會提高涂層抗氧化性等）制備出的多元刀具涂層材料

，很大程度上提高了刀具的綜合加工性能

。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）切削加工綠色化

。當前

，我國機械加工中主要采用濕式切削法，即在金屬切削加工時

，用切削液連續(xù)不斷的冷卻

、潤滑刀具和工件相接觸的部分，但是大量使用切削液會造成環(huán)境污染問題

，同時由于切削過程中切削液產(chǎn)生的油煙對人體直接造成危害

，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)濟角度考慮

，制造能滿足干式切削條件的涂層刀具是綠色加工的重要發(fā)展目標

。

同時隨著“中國制造2025”的提出，制造業(yè)迎來飛速發(fā)展

，鈦合金的應(yīng)用會越來越多

，對質(zhì)量以及精度要求也會不斷提高

，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

。

蘇州碩朔精密刀具生產(chǎn)復(fù)合成型刀具

、鈦合金加工刀具

、舍棄式三面刃銑刀

、T型銑刀復(fù)合成型刀桿、合金鋸片

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