1 引言
1791 年英國(guó)人William Gregor 第一次發(fā)現(xiàn)了鈦元素, 但是由于純金屬鈦很難制備, 直到1932 年盧森堡化學(xué)家Wilhelm Justin Kroll 才用TiCl4 和Ca 制取出大量的鈦。直至今日, 該方法仍然是應(yīng)用最廣泛的工藝, 被稱為/ Kroll 工藝0。第二次世界大戰(zhàn)后鈦基合金很快發(fā)展成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料。今天, 航空航天工業(yè)仍然是鈦及鈦合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域, 在其他領(lǐng)域如建筑、化工、醫(yī)藥、能源、海洋和近海、體育休閑以及交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[ 1] 。
2 鈦合金的分類及性能
工業(yè)純鈦在882 e 發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變, 常溫下純鈦和大多數(shù)鈦合金一樣都結(jié)晶成近似理想狀態(tài)下的密排六方結(jié)構(gòu)的A- Ti; 高溫下為體心立方結(jié)構(gòu)的B- Ti。表1 列出了高純多晶A- Ti 的部分重要物理性能。
與純鈦相類似, 根據(jù)鈦合金的晶格結(jié)構(gòu), 通常將鈦合金分為A型、A+ B 型和B 型合金三大類。在數(shù)量眾多的鈦合金之中, 美國(guó)的Illinois 技術(shù)研究所20世紀(jì)50 年代初開發(fā)的Ti- 6Al- 4V 合金的應(yīng)用最為廣泛, 占使用總量的50% 以上。按相分它屬于A+ B型鈦合金, 是在A型鈦合金( 由A相穩(wěn)定化元素Al 的作用而產(chǎn)生) 中加入少量的B 穩(wěn)定化元素( V)得到的。其力學(xué)性能如表2 所示。
3 鈦合金的切削加工性
鈦合金是一種典型的難加工材料, 其比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差、加工硬化嚴(yán)重; 由于其化學(xué)活性大, 在一定溫度下與周圍介質(zhì)容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng), 產(chǎn)生脆而硬的外皮, 加工時(shí)塑性和沖擊韌性劇烈下降, 刀具磨損和破損嚴(yán)重、耐用度低, 加工精度和表面質(zhì)量難以保證, 加工效率很低。
鈦合金的諸多性能中導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量、加工硬化、化學(xué)活性及合金類型和顯微組織等起到了主要作用, 所以鈦合金的切削加工存在著以下一些限制:
(1) 鈦合金的導(dǎo)熱率低, 約為鐵的1/ 3, 阻礙了機(jī)加工過(guò)程中所產(chǎn)生熱量的散發(fā), 且其比熱低, 使得切削區(qū)溫升過(guò)快, 在600 e 以上時(shí)表面形成氧化硬層從而加速刀具的磨損;
( 2) 鈦合金的彈性模量低, 使已加工表面容易產(chǎn)生極大的回彈, 特別是薄壁零件的加工回彈更為嚴(yán)重, 易引起后刀面與已加工表面產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦, 從而磨損刀具和崩刃。而且在回彈力的作用下會(huì)引起零件在機(jī)加工過(guò)程中偏離刀具。
(3) 鈦合金的硬度較低、化學(xué)活性很強(qiáng), 導(dǎo)致鈦與刀具之間的產(chǎn)生咬合。且高溫下鈦極易與氧、氫、氮發(fā)生作用, 使其硬度增加, 塑性下降, 在加熱和鍛造過(guò)程中形成的富氧層的機(jī)械加工困難。所以, 要成功地切削加工鈦合金零件應(yīng)遵循以下通用準(zhǔn)則:
( 1) 工件盡可能短, 并安裝在夾具中以免出現(xiàn)振動(dòng);
( 2) 適當(dāng)增大后角, 減小前角以增大切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度, 減小工件與后刀面的摩擦。定時(shí)刃磨刀具保持刀具的鋒利, 防止刀具出現(xiàn)磨鈍后的迅速破壞;
( 3) 采用剛性的加工設(shè)備和夾具;
(4) 切削過(guò)程采用水溶性油以及氣相亞硝胺型防銹液充分、及時(shí)冷卻, 不僅可以迅速散熱, 而且能預(yù)防由于鈦粉、切屑或碎片而引發(fā)的火災(zāi);
( 5) 采用低的切削速度和高的進(jìn)給量; 切削過(guò)程中不能停止進(jìn)刀, 因?yàn)榇藭r(shí)刀具與工件產(chǎn)生摩擦將促進(jìn)刀具的污染和粘接, 加速刀具的磨損;
(6) 機(jī)加工前應(yīng)采用噴砂處理或在含2% 硝酸的溶液中酸洗去除硬的表面氧化皮;不同的加工方式因其的切削特點(diǎn)和條件不同,在切削加工過(guò)程中必然會(huì)有不同的側(cè)重點(diǎn), 所以以上通用準(zhǔn)則也只是加工過(guò)程中的普通原則。
4 鈦合金的切削加工
( 1) 鈦合金的車削加工
鈦合金的機(jī)加工工藝中, 由于車削加工的切削環(huán)境容易控制所以易獲得較好的表面粗糙度, 加工硬化相對(duì)不嚴(yán)重, 但切削溫度高, 刀具磨損快。在粗加工時(shí), 需要刀具剛性好, 刀具前角、后角小。在精加工時(shí), 為得到良好的表面完整性和尺寸精度, 要求刀具鋒利, 所以前角、后角、螺旋角要偏大些, 并要求刀刃不帶有倒棱或負(fù)倒棱最小。
由于鈦的化學(xué)活性大, 易產(chǎn)生表面變質(zhì)污染層,導(dǎo)致表層硬度和脆性上升, 易使刀具產(chǎn)生缺口、崩刃、剝落等現(xiàn)象, 因此增加刃磨次數(shù)、延長(zhǎng)停機(jī)時(shí)間和機(jī)床調(diào)整時(shí)間, 降低生產(chǎn)率; 另外, 鈦的粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重, 易產(chǎn)生積屑瘤, 將引起工件尺寸變化, 影響過(guò)盈配合的裝配質(zhì)量, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致零件報(bào)廢。
( 2) 鈦合金的鉆削加工
相對(duì)于車削過(guò)程, 鉆削過(guò)程是在半封閉狀態(tài)下完成的, 其摩擦大、切削溫度高、排屑難、鉆頭剛度低, 它的鉆削比車削更困難。所以, 鉆削加工鈦合金時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮: 鉆頭材料、鉆頭幾何參數(shù)、鉆削用量及冷卻液等, 避免在加工過(guò)程中極易出現(xiàn)的燒刀、崩刃、加工硬化、磨損過(guò)快等問(wèn)題。
在鉆削鈦合金時(shí)容易生成長(zhǎng)而薄的卷曲切屑,同時(shí)鉆削熱量大, 容易使切屑過(guò)分堆積或粘附在鉆削刃上, 這是造成鉆削鈦合金困難的主要原因。因此, 鉆孔要采用短而鋒利的鉆頭和低速?gòu)?qiáng)制進(jìn)給, 支撐支架要緊固, 并要給以重復(fù)充分冷卻, 尤其是深孔鉆削。
此外鉆削過(guò)程中鉆頭在孔內(nèi)應(yīng)保持鉆削狀態(tài)而不允許在鉆孔內(nèi)空轉(zhuǎn), 并應(yīng)保持低而恒速的鉆削速度。鉆通孔要仔細(xì), 當(dāng)快要鉆通時(shí), 為了清理鉆頭和鉆孔, 及去除鉆屑, 最好退回鉆頭, 最終破孔時(shí)采用強(qiáng)制進(jìn)給, 這樣可以獲得質(zhì)量較高的孔。因此, 鈦合金鉆削加工主要從以下幾個(gè)方面考慮:
( 1) 鉆頭材料
根據(jù)鈦合金加工特性, 要求鉆頭材料必須具有以下特點(diǎn):
( a) 足夠的硬度。鉆頭的硬度必須大于鈦合金的硬度。
( b) 足夠的強(qiáng)度和韌性。由于鉆頭在加工鈦合金時(shí)承受很大的扭轉(zhuǎn)力和軸向力, 因此, 必須有足夠的強(qiáng)度和韌性。
( c) 足夠的耐磨性。由于鈦合金韌性好, 要求切削時(shí)刀刃要足夠鋒利, 因此刀具材料必須有足夠的抵抗磨損能力, 這樣才能減少加工硬化。
( d) 刀具材料與鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學(xué)活性高, 因此要求刀具材料和鈦合金親合能力要差, 以免形成擴(kuò)散而造成粘刀、斷鉆等現(xiàn)象。因此, 加工鈦合金的鉆頭既要有較高的硬度又要有很好的韌性、耐磨性, 而且刀具材料與鈦合金親和能力要差。
( 2) 鉆頭幾何參數(shù)分析
鈦合金的加工特性決定了傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆頭鉆削加工鈦合金時(shí)存在許多問(wèn)題, 主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):
( a) 鉆頭頂角小, 切削刃長(zhǎng), 切下的切屑寬, 因而鉆頭扭矩大, 軸向抗力也大。同時(shí), 切屑卷曲成螺旋狀程度大, 切屑所占的空間也大, 排屑不順暢, 影響冷卻。
鉆頭頂角決定切屑寬度和鉆頭前角的大小。當(dāng)鉆頭直徑和進(jìn)給量一定時(shí), 增大頂角, 則切屑變窄,單位切屑刃上的負(fù)荷減輕。同時(shí), 鉆頭外圓處的刀尖角減小, 減小了刀尖角的磨損速度, 同時(shí)有利于散熱, 耐用度也得到提高。頂角對(duì)前角有很大影響, 相應(yīng)增大頂角有利于改善鉆心處的切削條件。頂角影響切屑流出的方向。頂角較大, 切屑卷曲成螺旋的程度減小, 且比較平直, 容易排除, 即提高了排屑性能。通過(guò)分析試驗(yàn), 加工鈦合金時(shí), 采取增大鉆頭頂角的方法, 一般頂角的取值范圍是135b~ 140b時(shí)鉆削效果較好。
(b) 鉆頭鉆心厚度小。由于鉆削加工鈦合金時(shí)鉆頭承受很大扭矩和軸向抗力。鉆心厚度小, 則鉆頭強(qiáng)度低, 特別是小直徑鉆頭, 鉆頭易發(fā)生折斷, 需增大鉆心厚度以提高鉆頭強(qiáng)度。所以要適當(dāng)增加鉆心厚度。鉆心厚度一般為K= ( 0. 45~ 0. 32) D式中, K 為鉆心厚度, D 為鉆頭直徑。
( c) 鉆頭螺旋角小。螺旋角直接影響主切削刃的前角。螺旋角越大, 則刃口越鋒利, 切削越輕快,否則會(huì)造成嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象使得刀刃很快磨損。由麻花鉆的外形特點(diǎn)可知切削刃上各點(diǎn)螺旋角是變化的。越靠近外圓處螺旋角越大, 前角也越大,切削刃越鋒利, 切削性能越好。而靠近鉆心處螺旋角最小, 切削性能最差, 可以將此處磨成球圓弧狀,以改善切削條件。
隨螺旋角增加, 切削刃強(qiáng)度減弱, 磨損快, 甚至?xí)l(fā)生切削刃燒毀等現(xiàn)象。因此合理選擇螺旋角,以適合鈦合金鉆削加工成為關(guān)鍵問(wèn)題。
( d) 鉆頭外緣處后角小, 影響鉆心處切削刃的前角。鉆頭切削刃各點(diǎn)上的后角也是不等的, 愈接近中心, 其后角愈大。因此, 鉆頭后角的標(biāo)注和要求,都以鉆頭外緣處為準(zhǔn), 增大鉆頭外緣處后角, 可以使切削刃鋒利, 改善切削性能, 特別是對(duì)鉆心處的鉆削加工有明顯改善。因此, 適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)鉆頭幾何參數(shù),以適合鈦合金鉆削加工十分重要。
( e) 選取適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量。在鈦合金的鉆削過(guò)程中, 應(yīng)采用較低的切削速度, 以免切削溫度過(guò)高; 進(jìn)給量應(yīng)適中, 進(jìn)給量過(guò)大易引起刀刃燒傷。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 通常取進(jìn)給量為f = 0. 05mm/ r~ 0. 15mm/ r,切削速度v= 10~ 30m/ min。
( 3) 選用有效的冷卻系統(tǒng)和合適的冷卻液。鉆削加工鈦合金時(shí)最好不用含氯的冷卻液, 以避免產(chǎn)生有毒物質(zhì)和引起材料的氫脆。鉆削淺孔時(shí), 可用電解切削液, 其成分是: 葵二酸7~ 10% , 三乙醇胺7~ 10% , 甘油7~ 10% , 硼酸7~ 10%, 亞硝酸鈉3~ 5%, 剩余為水。
鉆削深孔時(shí), 盡可能不選水基切削液, 在高溫下切削刃上形成氣泡, 易產(chǎn)生積屑瘤, 最好用N32 機(jī)械油加煤油, 配比是3: 115, 也可用硫化切削液。
5 鈦合金鉆削的新發(fā)展
對(duì)于鈦合金的加工除了傳統(tǒng)的切削方式, 近年來(lái)還陸續(xù)發(fā)展起來(lái)了一系列的新加工方法和加工工藝, 這些新工藝、新方法不僅僅應(yīng)用于車削、銑削, 同樣也大量應(yīng)用于鉆削加工, 具體如下:
( 1) 低溫切削: 用液氮( - 180 e ) 或低溫液體( -76 e ) 作為切削冷卻液, 將加工環(huán)境控制在低溫條件下進(jìn)行切削加工, 可以有效地防止由于切削溫度過(guò)高引起的刀具過(guò)度磨損等后果。
( 2) 真空切削: 在真空中加工鈦合金可杜絕空氣中的雜質(zhì)與鈦發(fā)生反應(yīng)。降低刀具壽命。
( 3) 惰性氣體保護(hù)切削: 在被加工表面創(chuàng)造惰性氣體環(huán)境, 有效隔絕空氣中的雜質(zhì), 與真空切削相比工藝性更好, 實(shí)現(xiàn)更容易。
( 4) 靜電冷干式切削: 是通過(guò)靜電場(chǎng)裝置將壓縮空氣離子化, 由于在還原時(shí)需要急劇的吸收熱量。將這樣一種方法用到鈦合金的切削中, 將電離的空氣離子經(jīng)由噴嘴送至切削區(qū), 并在切削區(qū)獲取足夠的熱量, 同時(shí)使得切削區(qū)的溫度迅速下降。靜電冷卻干式切削不僅有效降低切削區(qū)溫度, 更重要的是能在刀具與切屑和刀具與工件接觸面上形成起潤(rùn)滑作用的氧化薄膜, 增加刀具的使用壽命。靜電冷卻裝置組成: 電源裝置、靜電場(chǎng)裝置、壓力空氣裝置、電離空氣的輸送系統(tǒng)、各部分的連接件、夾具安裝框架、噴嘴等。
( 5) 超聲波振動(dòng)鉆削加工。強(qiáng)化是指鈦合金在切削過(guò)程中用刀刃在工件上用小振幅超聲波振動(dòng)激勵(lì)進(jìn)行切削的。超聲波振動(dòng)切削可以: 減少變形區(qū)的大小和切削力; 消除刀瘤; 改變刀具工作面上摩擦特性; 并且由于超聲波振動(dòng)阻尼的有效性, 提高了切削過(guò)程的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性; 由于超聲波的毛細(xì)效應(yīng), 改善了工作區(qū)冷卻潤(rùn)滑液的進(jìn)入條件, 但超聲波引起的交變載荷卻降低了刀具的壽命。
此外, 還有激光切削、電解切削( 電化學(xué)切削) 、電磁切削、加熱切削、磨料液噴射切削、特殊熱處理降低硬度切削等一系列的新加工方法。隨著新加工手段和新加工工藝的發(fā)展, 鈦合金的加工方式不斷改進(jìn), 必將促進(jìn)鈦合金在社會(huì)各領(lǐng)域的廣泛發(fā)展。
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