鈦合金的切削加工(下)

   在鉆頭上做出四條導向刃帶，加大鉆頭截面慣性矩，提高剛性，還自然地形成兩條輔助冷卻槽，耐用度比標準鉆頭提高3倍左右，切削溫度約降低20％。同時由于導向穩定減小了孔擴張量，如Ф3 mm的四刃帶鉆頭鉆孔孔擴張量為0.03～0.04 mm，而標準鉆頭為0.05～0.06 mm。

    (2)選擇適宜的槍鉆：在鉆鈦合金長徑比大于5的深孔時，當孔徑小于等于30 mm時，一般采用硬質合金槍鉆，見圖7-2；當孔徑大于30 mm時，采用硬質合金BTA鉆頭或噴吸鉆等。用圖7-2所示槍鉆鉆削TC11的孔，孔深204 mm(長徑比約為26)，可保證表面粗糙度Ra為1.6 μm，生產率提高4倍，切屑呈“梅花”形或“C”形碎屑，排屑正常。

    用硬質合金槍鉆鉆長徑比大于30的深孔時，在軸向施加小于100Hz的振動進行振動鉆孔，可使得工件表面粗糙度Ra為0.3 μm，生產率提高5倍。具體參數為Vc=17 m/min，f=0.033 min/r，振幅為0.07 mm，頻率35 Hz，工件圓度4 μm，表面粗糙度Ra為0.33 μm。

    (3)選擇合適的切削液：鉆淺孔時可選用電解切削液，其成分為癸二酸7％～10％，三乙醇胺7％～10％，甘油7％～10％，硼酸7％～10％，亞硝酸鈉3％～5％，其余為水。

鉆深孔時不宜選用水基切削液，因為水在高溫下可能在切削刃上形成蒸汽氣泡，易產生積屑瘤，使鉆孔不穩定。宜采用N32機油加煤油，其配比為3:1或3:2，也可采用硫化切削油。

    11．怎樣對鈦合金進行鉸孔？

    用高速鋼和YG類硬質合金制作的鉸刀都可用于鈦合金零件上鉸孔。高速鋼鉸刀主要用于純鈦鉸孔，YG類硬質合金鉸刀主要用于鈦合金鉸孔。鈦合金鉸刀有直齒鉸刀、階梯鉸刀和帶刃傾角的階梯鉸刀三種，直齒鉸刀鉸出的工件孔徑最大，階梯鉸刀次之，帶刃傾角的階梯餃刀最小。階梯鉸刀的第一錐在切削的同時為第二錐起了導向作用，也為第二錐留下了極為穩定的余量，實際上起到了粗鉸和精鉸的作用；帶刃傾角的階梯鉸刀在刃傾角的作用下，提高鉸孔過程的平穩性，并使切屑向下排出，不會摩擦、劃傷孔壁，因而鉸出的孔徑精度比階梯鉸刀更高些。

    鈦合金鉸刀的幾何參數一般選用前角γ₀=0°～5°，硬質合金鉸刀取小值；后角α₀=10°～15°；切削錐角κ_r=15°～30°。階梯鉸刀的第二錐角為15°，刃傾角λ_s=-15°。為了加大鈦合金鉸刀的容屑空間，齒數應少于標準鉸刀，齒槽角δ=85°～90°。各種鈦合金鉸刀參數見圖7-3、圖7-4和圖7-5。

    鈦合金鉸刀的直徑由鉸出孔的擴張量大小來確定，一般高速鋼鉸刀擴張量取0.008mm，硬質合金鉸刀擴張量取0.006mm。

    對鈦合金鉸孔時，粗鉸余量2α_p=0.15～0.5 mm，精鉸余量2α_p =0.1～0.4 mm，直徑小時取小值，反之取大值。硬質合金鉸刀的切削用量Vc=15～50 m/min，f=0.1～0.5mm/r，鉸孔直徑大時取大值，反之取小值。高速鋼鉸刀的鉸削用量見表7-10。

    鉸削鈦合金時，最好使用切削液，常用的是電解切削液或混合油(成分為蓖麻油60％和煤油40％)。

    12．對鈦合金拉削時應注意哪些問題？

    首先，根據鈦合金材料的特性和切削特點，在拉刀設計時應注意以下幾個方面的問題：

    (1)拉刀的前后角直接影響拉刀的切削效果。用高速鋼制作的拉刀前角一般取γ₀=10°～20°，硬質合金拉刀γ₀=8°～15°。用于外拉的拉刀切削齒后角α_p =10°～12°，校準齒后角α_k =8°～10°；用于內拉的切削齒后角α_p =5°～8°，校準齒后角α_k=2°～3°；高速鋼和硬質合金拉刀的這兩個后角相同。對于粗拉刀前后角用小值，精拉刀用大值。

    (2)鈦合金拉刀只要條件允許應盡可能做出刃傾角，一般取λ_s=5°～10°。

    (3)拉刀前后刀面的粗糙度Ra≤0.32 μm。

    (4)校準齒上盡可能不留刃帶，若需要時，其寬度應小于等于0.12 mm。

    (5)由于鈦合金的彈性模量小，加工后回彈大，開槽拉刀刀齒寬度至少應等于或稍大于槽寬的下限尺寸，以免拉出的槽窄達不到要求。

    (6)拉刀卷屑臺的形式與拉削高溫合金的基本相同。

    (7)鈦合金拉刀的磨鈍標準一般為：粗拉刀VB≤0.3～0.4 mm，精拉刀VB≤0.15～0.2 mm。

    再就是選用合理的拉削用量，在保證刀具耐用度的前提下提高生產效率。高速鋼拉刀的拉削速度Vc=4.5～6 m/min，粗拉刀的齒升量為0.06～0.10 mm，精拉刀為0.02～0.04 mm；硬質合金拉刀的拉削速度Vc=15～30 m/min，粗拉刀的齒升量為0.08～0.12 mm，精拉刀為0.03～0.04mm。

    拉削鈦合金工件時必須使用切削液，一般采用油基切削液，常用的是混合油(蓖麻油60％，煤油40％)。還可選用另一種切削油，其成分為：聚醚30％，酯類油30％，N7機械油30％，防銹添加劑和抗泡沫添加劑10％。

    13．怎樣對鈦合金進行攻絲？

    鈦合金攻絲是鈦合金切削加工中最困難的工序，特別是攻制小螺紋。這種困難主要表現在攻絲時的總扭矩大，約為45號鋼的2倍；絲錐刀齒過快地磨損、崩刃，甚至被“咬死”在螺紋孔內而折斷。這是由于鈦合金的彈性模量太小，螺紋表面產生很大的回彈，使絲錐與工件接觸的面積增大，造成很大的摩擦扭矩，磨損加劇；另外，切屑細小不易拳曲，有粘刀現象，造成排屑困難。因此，解決鈦合金攻絲問題的關鍵是減小攻絲時絲錐與工件的接觸面積。

    (1)普通絲錐：必須經過技術處理后方能攻制鈦合金螺紋。對普通絲錐進行處理的措施為：增大容屑空間，減少齒數；在校準齒上留出0.2～0.3 mm的刀帶后，將后角加大到20°～30°，并沿絲錐全長磨去齒背中段；保留2～3扣校準齒后將后部的倒錐由0.05～0.2 mm/100 mm增大至0.16～0.32 mm/100 mm。當其他條件完全相同時，若將齒背寬度減小(磨去)1/2～2/3，攻絲扭矩下降1/4～1/3。

    (2)修正齒絲錐：修正齒絲錐是把標準絲錐的成形法加工螺紋改為漸成法，工作原理如圖7-6所示。由圖可知，修正齒絲錐的齒形角α0小于螺紋齒形角α1，使絲錐齒側與被切螺紋側表面形成一側隙角φ=(α1-α0)/2，并將絲錐螺紋做出較大的倒錐，使得摩擦扭矩大大減小，同時也利于切削液的冷卻潤滑。

    圖中各角度間的關系式為：

tanδ=tan κ_r (tan(α₁/2)˙cot(α₀/2) -1)

    設計攻制普通螺紋的修正齒絲錐時，為檢驗方便，一般取絲錐齒形角α0=55°，切削錐角δ可在2°30′～7°30′之間選取。

    標準絲錐的倒錐是從校準齒開始的，倒錐量為(0.05～0.2)mm/100 mm；修正齒絲錐的倒錐則是從第一個切削齒開始，并且倒錐數值遠大于標準絲錐，如κ_r =7°30′的修正齒絲錐可達1.437 mm/100 mm。由于倒錐量加大，修正齒絲錐的校準部分便起不了導向作用，在切削錐前端時必須做出圓柱導向部，以避免絲錐剛攻入時產生歪斜，圓柱導向部的公稱尺寸及公差取決于攻絲前的底孔尺寸。圖7-7是修正齒絲錐的結構和幾何參數示例。修正齒絲錐攻制的螺紋表面粗糙度不如成形式絲錐。

    (3)跳牙絲錐：跳牙絲錐是在切削齒和校準齒上相間地去掉螺扣，其最大的特點是有效地減小了絲錐與工件的接觸面積，使攻絲扭矩顯著下降。由于間齒攻絲，相鄰螺扣側刃之間有較寬綽的空間，改善了容屑和切削液進入切削區的條件，提高了絲錐的耐用度；同時在制造絲錐時，砂輪外緣頂部也不需過分尖銳，改善了磨削條件。跳牙絲錐示意圖見圖7-8。

    在相同的切削條件下經試驗比較，跳牙絲錐的攻絲扭矩約為標準絲錐的30％～50％，修正齒絲錐的35％～60％，耐用度比修正齒絲錐高1～3倍，用跳牙絲錐對鈦合金攻絲效果最好。

    (4)螺紋底孔：對鈦合金攻絲一般按牙高率(螺孔實際牙型高度與理論高度的比率)不超過70％為依據來選取底孔直徑大小，即螺紋底孔直徑d₁=d₀-0.757 8p(d₀為螺紋公稱尺寸，p為螺矩)。小直徑或粗牙螺紋牙高率可取大一些，被加工材料強度低或螺紋深度小于螺紋基本直徑時，可適當增大牙高率，但過大會增大攻絲扭矩，甚至折斷絲錐。為保證攻絲精度和表面質量，螺紋底孔應為鉸后的孔。

    鈦合金的攻絲速度要根據材料的類型和硬度來確定。α鈦合金的攻絲速度一般取Vc=7.5～12 m/min，α+β鈦合金取Vc=4.5～6 m/min，β鈦合金取Vc=2～3.5 m/min；鈦合金的硬度≤HB350時選用較高的切削速度，反之選用較低的切削速度。

    對鈦合金攻絲時，一般用含Cl、P的極壓切削液效果較好，但含Cl的極壓切削液攻絲后必須清洗干凈，防止零件晶間腐蝕；也可用蓖麻油60％、煤油40％的混合油作切削液。

    14．磨削鈦合金有哪些特點？

    (1)磨削力大：磨削鈦合金時，和一般磨削規律一樣，徑向力大于切向力。在相同條件下磨削TC9的徑向分力幾乎比45號鋼大4倍，切向分力大80％左右。

    (2)磨削溫度高：鈦合金磨削時滑擦過程所占比重大，產生強烈的摩擦，急劇的彈性、塑性變形和大量的熱量，致使磨削區的溫度很高。在相同條件下，磨削TC9的磨削溫度為45號鋼的1.5～2倍，最高時可達1000℃。

    (3)砂輪磨損失效：磨削鈦合金時，除粘結、擴散外，鈦合金與磨粒之間起化學作用，從而加速了砂輪的磨損過程。觀察磨削后的砂輪，鈦呈云霧狀分布，幾乎看不到砂輪磨粒。

    (4)表面質量不易保證：鈦合金磨削時，工件表面容易產生有害的殘余拉應力和表面污染層，表面粗糙度數值較大。磨后表面殘余拉應力數值大小隨磨削用量的加大而增大，磨削速度是殘余應力的主要影響因素。

    (5)生產率低：在保證所要求的零件加工精度的條件下，很難獲得較高的生產率。磨削時砂輪容易變鈍失效，磨削比很低，在相同條件下磨削Tc4的磨削比只有1.53，而45號鋼為71.5，約為45號鋼的1/47。

    15．磨削鈦合金時怎樣選擇砂輪？

    (1)磨料的選擇：白剛玉WA砂輪一般只能在Vc≤10 m/s的條件下磨削鈦合金，因為Vc加大會使磨削溫度升高，鈦合金表層會發生組織轉變；而且在高溫下很容易吸收空氣中的氧形成氧化鈦，并與Al₂O₃生成固溶體，因而增大了鈦與Al₂O₃的粘附結合力，加劇砂輪的粘結磨損。

    綠碳化硅GC及鈰碳化硅CC磨料與鈦合金粘附較輕，尤以CC砂輪的磨削力小且磨削溫度低。采用混合磨料(以GC及CC為主磨料，以鉻剛玉PA、單晶剛玉 SA、鋯剛玉ZA或微晶剛玉MA為副磨料)磨削效果能得到很大提高，磨削溫度降低到600℃以下，磨削比可達12。

    采用人造金剛石JR和立方氮化硼CBN超硬磨料磨削鈦合金效果最好。CBN砂輪磨削鈦合金的磨削比比采用混合磨料高50～60倍，且工件表層殘余應力幾乎都為壓應力，陶瓷CBN砂輪磨削效果見表7-11。

    (2)粒度和硬度的選擇：粒度和硬度都影響磨削比，粒度的影響大些。磨削鈦合金時，常用粒度號為36號～80號的磨料、硬度為K～M的砂輪；較軟的砂輪磨削力較小且磨削溫度較低，但磨損較大。實踐證明，既能減小磨削力又能適當提高磨削比，采用粒度為80號、硬度為J的砂輪為宜。

    (3)結合劑的選擇：磨削鈦合金的砂輪一般選用陶瓷結合劑V，這種結合劑的砂輪磨削力比較大；對大而薄的砂輪選用橡膠結合劑R，可降低磨削溫度和磨削力。

    (4)組織的選擇：采用中等偏疏松或疏松的砂輪組織5～8號為宜。成型磨削及精密磨削時，為保持砂輪型面及磨削表面粗糙度，可選用組織較為緊密的砂輪。

    磨削鈦合金時，不同磨削方式使用砂輪的具體選擇見表7-12。

    16．磨削鈦合金時怎樣選擇磨削用量？

    由于鈦合金的磨削溫度高，再加上鈦合金的化學活性大，工件表層組織很容易發生相變，而且容易產生有害的殘余拉應力，會降低零件的疲勞強度，因此在選擇鈦合金的磨削用量時首先要考慮的是降低磨削溫度。磨削速度對磨削溫度的影響最大，即磨削鈦合金時的速度不宜太高。具體的鈦合金磨削用量見表7-13。

    17．磨削鈦合金時怎樣選擇磨削液？

    磨削鈦合金時，要求磨削液具有冷卻、潤滑和沖洗作用，更重要的是應具有抑制鈦與磨料的粘附作用和化學作用。目前用得較多的是水溶性磨削液，有亞硝酸鉀溶液、亞硝酸鉀和甲酸鈉溶液、亞硝酸鈉溶液、亞硝酸鈉和甲酸鈉溶液、亞硝酸胺溶液等。使用含極壓添加劑S、Cl、P的極壓油，效果較好，尤以氯(Cl)極壓油效果最好，但磨后應清洗零件，以防降低零件的抗疲勞強度。

    對于緩進給磨削推薦選用下述配方制備磨削液：亞硝酸鈉1％，苯甲酸鈉0.5％，甘油0.5％，三乙醇胺0.4％，水(其余)。使用立方氮化硼CBN砂輪磨削時不宜使用水溶性磨削液，因BN與水在800℃左右會起化學反應，造成砂輪過快磨損(BN+H₂O→H₂BO₃+NH₃)。

    使用磨削液時，應特別注意流量要足夠大，每毫米砂輪寬度一般不低于0.5 L/min。砂輪線速度越高，流量應越大。水箱容量一般為流量的1.5～3倍，以保持磨削液處于較低的溫度。另外，鈦合金的磨削溫度較高，鈦屑容易引起自燃，在使用油劑磨削液時，應注意防止發生火災。

    18．鈦合金有哪些其他的磨削方法？

    磨削鈦合金除了常用的普通磨削法外，還可采用緩進給磨削法和低應力磨削法。

    (1)緩進給磨削法：鈦合金的緩進給磨削的特點與高溫合金類同，有關的詳細情況參照高溫合金的緩進給磨削部分。鈦合金的緩進給磨削一般選用 GC60G～JV的砂輪，磨削速度Vc=28～30 m/s，工件速度Vw=70 mm/min，磨削深度αp=1～2 mm。工件表面粗糙度值要求較小時，應采用較硬的砂輪；成形磨削時，可用金剛石滾輪或鋼滾輪來修整砂輪。

    (2)低應力磨削法：鈦合金的低應力磨削是靠減小磨去單位體積金屬消耗的能量，來降低磨后工件表層的殘余拉應力，消除燒傷、變形和裂紋，很適合鈦合金的磨削。低應力磨削應采取以下措施：使用較軟的砂輪，經常保持砂輪和修整工具的鋒利，減小徑向進給量(或磨削深度)，降低磨削速度，大量充分使用性能好的磨削液。但此法生產率低，只適用于承受很高應力的零件(如：高循環應力或在腐蝕條件下工作的零件)，用這種磨削法可提高零件的疲勞強度。其磨削用量見表7- 14。

    為了達到低應力磨削效果，應嚴格控制粗、半精、精磨三個階段的徑向進給量(或磨削深度)：

    ①粗磨階段。由毛坯尺寸磨至比最終尺寸大0.25 mm，采用fr≤0.05 mm/st。

    ②半精磨階段。再磨至比最終尺寸大0.05 mm，采用fr=0.008～0.015 mm/單行程，半精磨前應修整砂輪。

    ③精磨階段。磨至最終尺寸，采用fr=0.0025～0.005 mm/st，或根據需要用2～4個行程的無火花磨削至最終尺寸，精磨前應修整砂輪。

    19．用金剛石刀具切削加工鈦合金有哪些特點？

    從加工鈦合金的各種刀具材料切削實驗的結果可以看出，金剛石刀具加工鈦合金的效果最為顯著。這是因為金剛石在鈦中的溶解度比在鐵中小得多，切削時金剛石刀具的擴散磨損很小，故用金剛石刀具切削鈦合金有以下特點：

    (1)有很高的耐用度：用硬質合金刀具和金剛石復合片刀具車削鈦合金棒料，采用的車削用量為 Vc=56 m/min、α_p=1 mm、f=0.05 mm/r，用硬質合金刀具車削時，刀具很快就磨損了，切下的切屑體積僅有0.07 cm³；而在相同的磨損條件下，金剛石車刀卻能切下多得多的切屑，切屑體積高達132 cm³，是硬質合金刀具的1885倍。通過切削鈦合金試驗，在相同的條件下，刀具材料磨損量最大的是氧化鋁基陶瓷，其次是硬質合金，磨損量最小的是金剛石。

    (2)有很高的導熱性：鈦合金的導熱系數為5.44～10.47W／(m.K)，是45號鋼的1/5～1/6，而金剛石的導熱系數非常高，達146.5 W／(m.K)，是45號鋼的3倍、硬質合金的1.7～7倍，加上金剛石硬度高，切削刃可磨得非常鋒利，切削時產生的切削熱較少，刀具又能傳出很大部分切削熱。因此用金剛石刀具加工鈦合金的切削溫度低。

    (3)允許較高的切削速度：用YG類硬質合金加工TC4鈦合金時，切削速度一般采用Vc=20～50 m/min；而用金剛石刀具在沒用切削液干切時采用Vc=100 m/min，濕切時可高達Vc=200 m/min，比硬質合金高出好幾倍，且刀具幾乎看不出有多少磨損。

    (4)粘結和擴散磨損最小：用于切削鈦合金的各種刀具材料中，金剛石與鈦合金間產生粘結和擴散的可能性最小，即切削時刀具產生粘結磨損和擴散磨損最小。

    實踐證明，精切鈦合金時以金剛石刀具最佳，粗加工時以YG類硬質合金濕切為好。金剛石刀具的幾何參數是γ₀=-5°、α₀=17°、κ_r=30°、κ′_r=20°、λ_s=0°，r_ε=0.1 mm；切削用量是Vc=80～90 m/min，α_p =0.2～0.4 mm，f=0.05～0.07 mm/r。

    20．切削加工鈦合金的實例有哪些？

    (1)將145 mm×65 mm的鈦合金車成圓棒，在Vc=56m/min、α_p =2 mm、f =0.1 mm/r的情況下，開始用YG8硬質合金刀具，只車下0.7 cm³體積的切屑。后改用金剛石復合刀片的車刀，切下切屑的體積達143 cm³，為硬質合金刀具的204倍，且后刀面磨損很小。又如，用天然金剛石刀具，在干式切削時，在Vc=100 m/min的條件下，切削30 min后，刀具幾乎沒磨損。在有切削液的條件下，切削速度可達200 m/min。

    (2)銑削TB2鈦合金，刀具材料為YS30硬質合金，在 Vc=100～150 m/min、α_p =0.2～0.5 mm、α_f =0.06～0.08mm/z的條件下，切削十分輕快，刀具磨損很小。

(3)對TC4鈦合金車外圓和內孔，采用YM052硬質合金為刀具材料，在 Vc=70～120 m/min、α_p =1～2 mm、f=0.2 mm/r條件下，刀具磨損比較小，而且表面粗糙度R_n可達0.8μm。

    (4)在TC4鈦合金上加工M185×3的螺紋，螺紋為50mm長。采用YM051超細顆粒硬質合金車刀，刀具可車5～6件。

    (5)用不同切削速度加工TC4鈦合金時，切削條件為：γ₀=3°，α₀=14°，κ_r =κ′_r =45°，r_ε=1 mm，f=0.16 mm/r，tip=1 mm，切削速度分別為30 m/min、60～70 m/min和90～100m/min，結果是：低速時YS2有很高的耐磨性，在高速時，YD15的耐磨性高于YS2。

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