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钛切削的合理加工方式


上海剛傑機電提供高效合理的钛板坡口方案

--------------------針對钛切削的理性忠告


不難理解爲什麽汽車、醫療、化工、微型部件特別是航空領域的設計師們特別喜歡用钛。由于钛的密度僅僅爲鋼的一半左右,因此钛零件的重量大約只有鋼零件的一半。

但是其強度很高:純钛達到800,000磅/英寸2(5517MPa),合金钛達到180,000磅/英寸2(1241MPa)以上,遠遠高出許多合金鋼的強度,因此钛具有很高的強度重量比。

钛的彈性爲鋼的兩倍,成爲抗斷裂或折斷要求很高的應用場合之理想選擇。此外,钛合金還比不鏽鋼具有更高的耐腐蝕和耐氧化能力。


但是,了解這種材料特點的廠家卻可以成功加工钛零件,而並不不必花費高昂代價。钛的許多品質使它適合大多數應用領域,但同時也導致其成爲*難加工的材料之一。

大部分钛合金導熱性很差。加工過程中産生的熱不會通過零件和機床結構擴散,而是集中在切削區。某些情況下達到的溫度高達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。

切削過程中産生的高溫還會引起工件不斷硬化,這種現象會影響钛的表面完整性,並可能導致零件的幾何精度不**,並嚴重降低其疲勞強度。

對成品有益且必需的钛合金彈性,在重負荷切削中卻對撓曲和振動“火上澆油”。在切削壓力下,“彈性”材料從刀具處挪開。因此,切削刃不進行切削而是進行摩擦,特別是在進刀量比較小的場合。這種摩擦過程也會發熱,加劇因材料導熱性差而引起的問題。

加工薄壁零件或環——這是非常常見的工序,除用正傾角刀具外,用任何其他方式都將推動零件並引起零件撓曲,而不是切削零件。這樣就很堆進行定尺寸切削。采用不正確的刀具將不會切削零件,而會推動零件,給材料施加應力。隨著材料從切削刃處轉移、材料發生塑性變形而不是彈性變形,這樣就提高了材料在切削點處的強度和硬度。隨著合金硬度和強度變得越來越高,在切削環始時很合適的切削速度此時顯得過高,刀具開始劇烈磨損。

切削工件時所需要的切削速度取決于制成工件的合金。非合金钛可以以180英尺/分鍾(55m/min)的速度加工,而韌度更高的b合金則要求加工速度低至30英尺/分鍾(9.1m/min)。一般而言,合金中釩和鉻越高,要求的切削速度就越低。在各種情況中,钛合金都要求用很高的切屑負荷來克服摩擦和加工硬化問題。

钛加工過程中所産生的切削力其數值僅比切削硬度相當的鋼時所産生的切削力大一點點,但钛加工看起來更難更複雜。

刀具側面磨損、缺口和積屑瘤是钛切削時常見的刀具磨損類型。刀刃缺口以刀具側面和前面沿對應于切深參數的線條出現局部磨損的形式産生。這種磨損,有一部分是因爲此前的鑄造、鍛造、熱處理或前面的加工工序而引起的硬化層所導致。

切削刀具材料和工件之間的化學反應也可能導致發生缺口磨損機制。這種情況發生在加工溫度超出800 ℃ 时,并且会导致刀具和工件之间热的扩散。


適合加工钛合金和超級合金的*好的刀具基質和塗層是一種與物**相沈積(PVD)TiAlN塗層組合的亞微基質。這種PVD塗層薄而光滑的表面,連同足夠的剩余應力,可以提高刀具對崩刃和缺口磨損的阻力,因此PVD塗層提供更高的耐磨性、化學穩定性和積屑瘤阻力。因爲粘附技術和塗層的均勻性得到改善,過去發生的因早期塗層引發的加工問題,對PVD塗層不再存在。 成功切削钛的策略相反,在加工過程中,钛工件材料的沈積趨向于積聚在刀片的前傾面上。該區域中形成的高壓可能將這些粒子焊接到切削刃上,形成積屑瘤現象。這些粒子,經過連續的較短間隔,傾向于剝落切削刃,將部分硬質合金含量從切削刀片上拔下來。

· 采用正切削幾何結構減少切削力,發熱及零件撓曲。

· 采用恒定進給防止工件出現加工硬化。在刀具切削過程中,千萬別停止進給。

· 用大量冷卻液維持熱穩定並防止可能導致次表面出現不規則和可能的刀具故障的溫升問題。

· 保持刀具尖銳。鈍刀會加速溫升,並引起導致刀具發生故障的磨損和撕裂現象。

· 在盡可能軟的狀態下加工钛合金。由于許多合金是時效硬化的——它們在加熱時變硬——在形成第二相粒子時,它們變得強度更高,磨蝕度更大。

· 盡可能采用較大的刀具端部半徑或圓形刀片,使刀具更多地進入切削。這樣可以降低任意一點的切削力並防止局部損壞。

 

钛及其合金

钛合金有四種變型:a、a/b、b及新研制出的鋁化钛,由于這四種變型依次添加更多的合金元素,因此它們的加工難度依次提升。

钛的a相是純钛,比較軟,並且可以高速加工。

這種材料不存在加工問題。但是,它缺乏其他合金的有益屬性,特別是強度和柔性,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在医疗和化工男人天堂应用要少一些。

這些合金的加工難度爲中等,由于a/b切屑難于斷裂並具有磨蝕性,因此刀具壽命較短。

b相钛合金不具備a/b的韌度,但是它們的硬度更高、更脆。它們還更難加工,因爲合金中的釩,钼及鉻的含量很高。钛的b相合金變得越來越常見,並且向人們提出了嚴肅的加工挑戰。

鋁化钛很難加工,但是它們的重量非常輕,而且強度非常高。以前,由于它們缺乏韌性而應用有限。但是,材料科學研究己經解決了其缺乏韌度的缺點,如今應用場合開始拓寬到賽車發動機領域(用于推杆和閥杆)及噴氣發動機部件中。

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