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钛加工方式合理化建议


上海刚杰机电提供高效合理的钛板坡口方案

--------------------针对钛切削的理性忠告

不难理解为什么汽车、医疗、化工、微型部件特别是航空领域的设计师们特别喜欢用钛。由于钛的密度仅仅为钢的一半左右,因此钛零件的重量大约只有钢零件的一半。


但是其强度很高:纯钛达到800,000磅/英寸2(5517MPa),合金钛达到180,000磅/英寸2(1241MPa)以上,远远高出许多合金钢的强度,因此钛具有很高的强度重量比。

钛的弹性为钢的两倍,成为抗断裂或折断要求很高的应用场合之理想选择。此外,钛合金还比不锈钢具有更高的耐腐蚀和耐氧化能力。


但是,了解这种材料特点的厂家却可以成功加工钛零件,而并不不必花费高昂代价。钛的许多品质使它适合大多数应用领域,但同时也导致其成为*难加工的材料之一。

大部分钛合金导热性很差。加工过程中产生的热不会通过零件和机床结构扩散,而是集中在切削区。某些情况下达到的温度高达2 ,0000°F(11093℃),可能导致崩刃和变形;而刀刃变钝则会产生甚至更高的热量并进一步降低刀具寿命。切削温度可以达到如此之高,以至于钛屑有时候会迸发火焰。

切削过程中产生的高温还会引起工件不断硬化,这种现象会影响钛的表面完整性,并可能导致零件的几何精度不**,并严重降低其疲劳强度。

对成品有益且必需的钛合金弹性,在重负荷切削中却对挠曲和振动“火上浇油”。在切削压力下,“弹性”材料从刀具处挪开。因此,切削刃不进行切削而是进行摩擦,特别是在进刀量比较小的场合。这种摩擦过程也会发热,加剧因材料导热性差而引起的问题。

加工薄壁零件或环——这是非常常见的工序,除用正倾角刀具外,用任何其他方式都将推动零件并引起零件挠曲,而不是切削零件。这样就很堆进行定尺寸切削。采用不正确的刀具将不会切削零件,而会推动零件,给材料施加应力。随着材料从切削刃处转移、材料发生塑性变形而不是弹性变形,这样就提高了材料在切削点处的强度和硬度。随着合金硬度和强度变得越来越高,在切削环始时很合适的切削速度此时显得过高,刀具开始剧烈磨损。

切削工件时所需要的切削速度取决于制成工件的合金。非合金钛可以以180英尺/分钟(55m/min)的速度加工,而韧度更高的b合金则要求加工速度低至30英尺/分钟(9.1m/min)。一般而言,合金中钒和铬越高,要求的切削速度就越低。在各种情况中,钛合金都要求用很高的切屑负荷来克服摩擦和加工硬化问题。

钛加工过程中所产生的切削力其数值仅比切削硬度相当的钢时所产生的切削力大一点点,但钛加工看起来更难更复杂。

刀具侧面磨损、缺口和积屑瘤是钛切削时常见的刀具磨损类型。刀刃缺口以刀具侧面和前面沿对应于切深参数的线条出现局部磨损的形式产生。这种磨损,有一部分是因为此前的铸造、锻造、热处理或前面的加工工序而引起的硬化层所导致。

切削刀具材料和工件之间的化学反应也可能导致发生缺口磨损机制。这种情况发生在加工温度超出800 ℃ 时,并且会导致刀具和工件之间热的扩散。


适合加工钛合金和超级合金的*好的刀具基质和涂层是一种与物**相沉积(PVD)TiAlN涂层组合的亚微基质。这种PVD涂层薄而光滑的表面,连同足够的剩余应力,可以提高刀具对崩刃和缺口磨损的阻力,因此PVD涂层提供更高的耐磨性、化学稳定性和积屑瘤阻力。因为粘附技术和涂层的均匀性得到改善,过去发生的因早期涂层引发的加工问题,对PVD涂层不再存在。 成功切削钛的策略相反,在加工过程中,钛工件材料的沉积趋向于积聚在刀片的前倾面上。该区域中形成的高压可能将这些粒子焊接到切削刃上,形成积屑瘤现象。这些粒子,经过连续的较短间隔,倾向于剥落切削刃,将部分硬质合金含量从切削刀片上拔下来。

· 采用正切削几何结构减少切削力,发热及零件挠曲。

· 采用恒定进给防止工件出现加工硬化。在刀具切削过程中,千万别停止进给。

· 用大量冷却液维持热稳定并防止可能导致次表面出现不规则和可能的刀具故障的温升问题。

· 保持刀具尖锐。钝刀会加速温升,并引起导致刀具发生故障的磨损和撕裂现象。

· 在尽可能软的状态下加工钛合金。由于许多合金是时效硬化的——它们在加热时变硬——在形成第二相粒子时,它们变得强度更高,磨蚀度更大。

· 尽可能采用较大的刀具端部半径或圆形刀片,使刀具更多地进入切削。这样可以降低任意一点的切削力并防止局部损坏。

 

钛及其合金

钛合金有四种变型:a、a/b、b及新研制出的铝化钛,由于这四种变型依次添加更多的合金元素,因此它们的加工难度依次提升。

钛的a相是纯钛,比较软,并且可以高速加工。

这种材料不存在加工问题。但是,它缺乏其他合金的有益属性,特别是强度和柔性,因此它的用途有限。

a/b合金是*常见的钛合金.其中Ti-6Al-4V( 6%铝、4%钒)在航空领域大*使用,尤其用于喷气发动机。Ti-6Al-4V在医疗和化工行业应用要少一些。

这些合金的加工难度为中等,由于a/b切屑难于断裂并具有磨蚀性,因此刀具寿命较短。

b相钛合金不具备a/b的韧度,但是它们的硬度更高、更脆。它们还更难加工,因为合金中的钒,钼及铬的含量很高。钛的b相合金变得越来越常见,并且向人们提出了严肃的加工挑战。

铝化钛很难加工,但是它们的重量非常轻,而且强度非常高。以前,由于它们缺乏韧性而应用有限。但是,材料科学研究己经解决了其缺乏韧度的缺点,如今应用场合开始拓宽到赛车发动机领域(用于推杆和阀杆)及喷气发动机部件中。

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