一種薄壁鈦合金零件的切削工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種薄壁鈦合金零件的切削工藝。所述工藝選用適合加工鈦合金材料的刀具材料、角度、切削要素，提高刀具加工耐用度及減小工件變形效果顯著，提高了工件加工質(zhì)量，通過多批次1000個工件加工，沒改進(jìn)前工件合格率僅有70％，改進(jìn)后合格率提高到97％左右。
【專利說明】一種薄壁鈦合金零件的切削工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄壁鈦合金零件的切削工藝。

【背景技術(shù)】
[0002]鈦比重為4.54g/cm3，僅為鋼(7.8g/cm3)的58%，鈦合金的比強度、比剛度、抗腐蝕性和結(jié)合性能良好，高溫變形小，抗疲勞和蠕變性能也好。據(jù)統(tǒng)計，在國防產(chǎn)品的部件中，利用鈦合金材料制作的結(jié)構(gòu)件占據(jù)總部件總數(shù)的90%，鈦合金在國防產(chǎn)品中的應(yīng)用日益增加。但是鈦合金材料切削時，刀具磨損快，易產(chǎn)生粘刀，在刀尖上形成積屑瘤，切削要素影響工件的加工質(zhì)量。
[0003]鈦合金材料工件加工最大的瓶頸是材料難加工、刀具磨損快、吃刀抗力大等。在沒掌握鈦合金材料的切削技術(shù)前，殼體工件的加工難度太大，主要是:刀片材料磨損大，刀尖經(jīng)常崩刃；切削時工件加工面出現(xiàn)齒紋狀的波紋，表面光潔度達(dá)不到技術(shù)要求；刀具加工時主切削力太大，造成機床振動，使工件變形。影響加工因素有很多，主要體現(xiàn)以下幾個方面:
[0004](I)鈦合金材料組織切削加工性差。鈦合金材料組織復(fù)雜，親和力大，晶格原子不易脫離平衡位置，在高溫高壓下易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象。
[0005](2)鈦合金材料變形系數(shù)小。鈦合金材料工件加工時的一個顯著特點是切削變形系數(shù)小于、等于1，切削不但不收縮，且有所變長，造成前刀面被切削流動摩擦的路徑大大上升，加劇了刀具的磨損。
[0006](3)鈦合金材料加工切削溫度高。鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)小于不銹鋼和高溫合金，散熱條件差，使切削區(qū)溫度迅速上升，切削區(qū)溫度遠(yuǎn)高于其他材料的溫度，積于切削刃附近不易散發(fā)，造成加工的刀尖附近應(yīng)力集中，刀具磨損崩刃。
[0007](4)鈦合金材料加工單位面積切削力大。鈦合金材料的加工單位面積的切削力大，主切削力比一般結(jié)構(gòu)鋼小20 %左右，由于刀具與切屑的接觸長度短，切削壓力集中在切削刃附近的小小接觸面積上，故單位接觸面積上所承受的切削力大大上升，造成刀、屑接觸處的磨擦系數(shù)加大，加快了刀具前刀面的磨損。
[0008](5)鈦合金材料加工易產(chǎn)生表面污染層。由于鈦的化學(xué)活性大，易與各種氣體雜質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，如:O、N、H、C等元素浸入鈦合金中，形成間隙式固溶體，使表面晶格嚴(yán)重彎曲，塑性降低，與N、C作用，形成硬度高的T i N、T i C等硬層，導(dǎo)致刀具產(chǎn)生缺口、崩刃、剝落等。
[0009](6)鈦合金薄壁工件切削產(chǎn)生震動變形。鈦合金薄壁工件在切削加工過程中易產(chǎn)生振動和變形，影響工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度。
[0010]有文獻(xiàn)指出:切削鈦合金時采用不含氯的切削液能避免鈦材料在高溫下與大氣中氧、氮、氫發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生脆硬層加快刀具磨損；薄壁鈦合金加工時，減小主偏角，采用正的刃侵角能提高刀具工件表面加工質(zhì)量；鈦合金材料加工切削采用PCD材料刀具，可提高切削用量。這些原則有助于解決問題，但是加工時具體的刀具材料、角度、切削用量、切屑排放方法，仍沒有文獻(xiàn)可查。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種薄壁鈦合金零件的切削工藝。所述工藝選用適合加工鈦合金材料的刀具材料、角度、切削要素，提高刀具加工耐用度及減小工件變形效果顯著，提高了工件加工質(zhì)量，通過多批次1000個工件加工，沒改進(jìn)前工件合格率僅有70%，改進(jìn)后合格率提高到97%左右。
[0012]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0013]一種薄壁鈦合金零件的切削工藝，其特征在于:
[0014]選用YG643、YG10ΗΤ, IC907合金材料牌號的刀片作為刀具材料；
[0015]刀具角度為:前角粗加工時:3-5°，半精加工時:5-10°，精加工時:8-20° ;后角粗加工時:10-12°，半精加工時:10-12°，精加工時:12-15° ;主偏角粗加工時:75°，半精加工時:30-75°，精加工時:45° ;副偏角粗加工時:5-15°，半精加工時:15°，精加工時:15-30° ;刃傾角粗加工時:0-4°，半精加工時:0-4°，精加工時:4-8° ;
[0016]切削用量為:粗加工:機床轉(zhuǎn)速:140?170r/min，吃刀量:I?2.5mm ;半精加工:機床轉(zhuǎn)速150?180r/min，吃刀量:0.5?Imm ;精加工:機床轉(zhuǎn)速170?200r/min，吃刀量:0.1 ?0.5mm。
[0017]采用中空刀桿澆注切削液。
[0018]以下進(jìn)行詳細(xì)描述:
[0019]通過以上對鈦合金材的切削加工難點分析，解決措施主要概括起來就是:選擇合適的加工刀具的角度，可以提高刀具使用壽命；減小刀具主切削力，提高工件表面加工質(zhì)量、效率，消除工件變形；另外根據(jù)殼體工件加工工序的類別不同，加工刀具的角度也要隨之變化，應(yīng)用以下方法。
[0020]( I)合理選擇刀具材料提高刀具的耐用度
[0021]鋒鋼材料的刀具由于多為W 18 C r 4 V，高溫性能差，僅能耐400°C以下高溫，僅適于加工切削抗拉強度大于85 k g / mm 2的鋼件或鑄鐵件。加工鈦合金材料時必須選用耐磨性高、抗彎強度高、導(dǎo)熱性好，抗粘接、抗氧化、抗震性的硬質(zhì)合金刀片。選擇Y G(K)即鎢鈷類(或含有少量其他碳化物)硬質(zhì)合金刀片，加工效果好；Y T (P)即鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金刀片加工時磨損嚴(yán)重，效果不好，不宜使用。
[0022]宜選用YG643、YG10ΗΤ, IC907合金材料牌號的刀片，優(yōu)選IC907。
[0023](2)選擇合理的角度提高刀具的強度
[0024]鈦合金材料工件粗加工時，加工余量較大，加大刀具的主偏角，增加刀具的強度，使工件加工時徑向力變小，避免震動；適當(dāng)?shù)丶哟笄敖?，減小切削刃單位長度上的負(fù)荷，散熱快、提高刀具的使用壽命。在精加工時余量較小，切削變形和切削抗力小，因此刀具磨損較??；選取較小的走刀量，主要是提高工件表面加工質(zhì)量、消除變形、保證加工精度為主，因此刀具可選擇較大的前角和后角，增大偏角使刀具切削鋒利，提高了工件加工表面質(zhì)量。例如:前角約增大I倍；粗加工后角加倍，半精加工和精加工后角增大約30% ;主偏角增大約50% ;粗加工副偏角約增為2?5倍，半精加工和精加工副偏角約增大I倍，使刀片的耐用度提高3倍。
[0025]選取的刀具角度:
[0026]前角粗加工時:3-5° ;半精加工時:5-10° ;精加工時:8_20° ；
[0027]后角粗加工時:10-12° ;半精加工時:10-12° ;精加工時:12_15° ;
[0028]主偏角粗加工時:75° ;半精加工時:30-75° ;精加工時:45° ；
[0029]副偏角粗加工時:5-15° ;半精加工時:15° ;精加工時:15_30° ;
[0030]刃傾角粗加工時:0-4° ;半精加工時:0-4° ;精加工時:4-8° ;
[0031](3)采用合理的切削用量避免機床震動減少變形
[0032]工件為薄壁，每進(jìn)行一次加工應(yīng)力釋放一次。加工應(yīng)力是在工件逐次工序切削加工下完成釋放的，從粗加工直接進(jìn)入到精加工，加工余量太大，應(yīng)力得不到完全釋放，且走刀量太快，造成徑向切削力加大，使工件變形，造成工件報廢。因此工件加工工序應(yīng)選擇:粗—半精一精加工，并選擇合理的切削用量，消除工件切削過程中刀具引起的震動，避開了工件與機床的共振，避免了切削時的震動引起的變形。例如:在粗加工相同條件下，增加半精加工工序，減少工件變形，精加工切削速度提高加倍，走刀量、切削深度減少I倍左右，控制了工件變形，消除了機床振動。
[0033]選取的切削用量粗加工:機床轉(zhuǎn)速:140?170r/min，吃刀量:I?2.5mm ;半精加工:機床轉(zhuǎn)速150?180r/min，吃刀量:0.5?1_ ;精加工:機床轉(zhuǎn)速170?200r/min，吃刀量:0.I?0.5mm
[0034](4)采用合理的澆注方式提高加工質(zhì)量
[0035]鈦合金材料切削加工時切削區(qū)溫度高，需添加切削液降低切削溫度，提高加工質(zhì)量及降低刀具的疲勞強度。殼體工件開始加工時，我們選用外表面澆注，在離心力作用下澆注液體迅速脫離工件表面，達(dá)不到冷卻效果。
[0036]采用中空刀桿澆注，冷卻液噴管通過刀桿直接加入到刀具的切削區(qū)，避免了積屑瘤的產(chǎn)生，降低了切屑區(qū)的溫度，提高了工件加工質(zhì)量。澆注液通過刀桿直線運動，并隨工件聯(lián)動，澆注液始終噴在工件上，及時帶走切屑，降低切屑區(qū)溫度，提高工件表面加工質(zhì)量。
[0037]本發(fā)明的優(yōu)點是:經(jīng)選用適合加工鈦合金材料的刀具材料、角度、切削要素，提高刀具加工耐用度及減小工件變形效果顯著，提高了工件加工質(zhì)量，通過多批次1000個工件加工，沒改進(jìn)前工件合格率僅有70%，改進(jìn)后合格率提高到97%左右。

【具體實施方式】
[0038]為便于理解本發(fā)明，本發(fā)明列舉實施例如下。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述實施例僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。
[0039]實施例一
[0040]工件材料為鈦合金TC4,外圓尺寸Φ46mm公差為0.039mm,壁厚2mm,長度為60mm公差為0.046mm，外螺紋為M50 X 75 — 6h，孔Φ 30mm公差為0.021mm，孔的跳動為0.015mm,外圓跳動為0.03mm
[0041]工件為曲線薄壁回轉(zhuǎn)體形狀，采取車削加工形式。Φ46mm外圓及Φ30mm長短尺寸精度及形位公差要求高，因此Φ46πιπι、Φ30mm長短尺寸和外螺紋需要一次加工而成精加工時，定位基準(zhǔn)為Φ42_孔及端面，采用雙壓板形式，車削余量單邊0.5_，分兩次循環(huán)車削，加工時Φ42ι?πι孔及端面為工藝外圓為定位基準(zhǔn),先壓Φ30mm內(nèi)端面，Φ42ι?πι孔及端面保證AB基準(zhǔn)垂直，工件不動，換壓板壓住Φ42πιπι孔端面，車內(nèi)腔到尺寸，消除徑向夾緊力引起的彈性變形，保證了定位基準(zhǔn)的尺寸精度；車外形時同樣采用雙壓板形式，定位基準(zhǔn)為精加工到尺寸的42mm孔及端面,加工余量單邊0.5mm,首先壓住臺階圓端面，車長短尺寸60mm,并鏜孔Φ 30mm，工件不動，換壓板壓30mm外端面，將外形一次車成形，保證工件外形尺寸精度及形位公差要求
[0042]選擇不含或少含TiC的硬質(zhì)合金刀具:YG643IC907合金材料牌號的刀片，提高了刀具材料的紅硬性抗彎強度導(dǎo)熱性抗氧化抗粘接抗擴散性能，提高了刀具壽命，比原采用的普通涂層刀具壽命由20min提高到120min降低了工具損耗成本，提高了加工效率，保證了工件加工質(zhì)量。
[0043]采用合理的刀具角度和切削方向減小主切削力，選取的刀具角度::
[0044]前角粗加工時:3-5° ;半精加工時:5-10° ;精加工時:8_20° ；
[0045]后角粗加工時:10-12° ;半精加工時:10-12° ;精加工時:12_15° ;
[0046]主偏角粗加工時:75° ;半精加工時:30-75° ;精加工時:45° ；
[0047]副偏角粗加工時:5-15° ;半精加工時:15° ;精加工時:15_30° ;
[0048]刃傾角粗加工時:0-4° ;半精加工時:0-4° ;精加工時:4-8° ;
[0049]刀尖圓弧粗加工時:1-1.5mm ;半精加工時:1mm ;精加工時:0.3-0.5mm ；
[0050]實踐證明采用上述角度及切削放方向，減小了主切削力，有效地減小工件切削變形此外，加工TC4材料的刀具要求切削刃鋒利；前后刀面的粗糙度應(yīng)足夠細(xì)；切削刃在刃磨后不允許有毛刺燒傷缺口和裂紋；刀具宜采用硬質(zhì)合金砂輪刃磨。
[0051]合理的切削用量粗加工:機床轉(zhuǎn)速:140-170r/min，吃刀量:1-2.5mm;半精加工:機床轉(zhuǎn)速150-180r/min，吃刀量:0.5-lmm ;精加工:機床轉(zhuǎn)速170_200r/min，吃刀量:0.1-0.5mm。避免了切削時的振動引起的變形，提高加工精度加工時添加極壓乳化液或極壓切削油冷卻，降低工件切削區(qū)的溫度，及時帶走切屑，避免了積屑瘤的產(chǎn)生，提高了工件加工表面質(zhì)量。
[0052] 申請人:聲明，本發(fā)明通過上述實施例來說明本發(fā)明的詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)工藝設(shè)備和工藝流程才能實施。所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進(jìn)，對本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種薄壁鈦合金零件的切削工藝，其特征在于: 選用YG643、YG10HT、IC907合金材料牌號的刀片作為刀具材料； 刀具角度為:前角粗加工時:3-5°，半精加工時:5-10°，精加工時:8-20° ;后角粗加工時:10-12°，半精加工時:10-12°，精加工時:12-15° ;主偏角粗加工時:75°，半精加工時:30-75°，精加工時:45° ;副偏角粗加工時:5-15°，半精加工時:15°，精加工時:15-30° ;刃傾角粗加工時:0-4°，半精加工時:0-4°，精加工時:4-8° ; 切削用量為:粗加工:機床轉(zhuǎn)速:140?170r/min，吃刀量:I?2.5mm ;半精加工:機床轉(zhuǎn)速150?180r/min，吃刀量:0.5?Imm ;精加工:機床轉(zhuǎn)速170?200r/min，吃刀量:0.1 ?0.5mm ; 采用中空刀桿澆注切削液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于:選用IC907合金材料牌號的刀片作為刀具材料。
【文檔編號】B23B1/00GK104227019SQ201310238324
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月14日
【發(fā)明者】華兆紅 申請人:無錫市森信精密機械廠