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阻燃钛合金Ti40铣削加工性研究
单位:南京航空航天大学机电学院  作者:刘玉庆 徐九华 丁文锋 吕东升 发布时间:2013-7-23 8:47:43

钛合金因优异的物理力学和化学特性(如密度低、比强度高、耐蚀性好等特点)而被广泛应用于航空航天等领域[1]。虽然其综合机械性能良好,但其可燃性却极大地限制了其在一些苛刻环境条件下的应用,如高性能航空发动机的高温、高压气流环境等,在这样的背景下,阻燃钛合金应运而生[2-3]20世纪90年代,国际上已研制出多种阻燃钛合金,如美国的Alloy C合金、俄罗斯的BTT-1BTT-3合金。国内也于1993年研制成功阻燃钛合金Ti40Ti14。其中,Ti40具备更好的综合力学性能[4],它是一种单一β相钛合金,β相稳定元素含量高达40%,高温性能良好,长时间工作温度在500℃左右。其作为我国自主研发的阻燃钛合金已研究多年,并在有关此合金的制备工艺、阻燃性能和阻燃机理、热处理工艺、热稳定性及高温变形和蠕变机理等方面都有了一定的研究成果[5-9],但未见关于其切削加工性等基本问题的相关研究与报导。生产实践发现,钛合金不适合在干切削条件下加工,且Ti40是一种单一β相钛合金,对β钛合金来说,切削加工性较差,刀具寿命短,生产效率低[10-11] 

本文以钛合金Ti40作为工件材料,主要以刀具耐用度作为材料切削加工性的衡量指标,在切削油冷却条件下,采用硬质合金刀具以及顺铣试验方法,分析了该材料的铣削加工性能,研究了刀具失效形式和磨损机理,并与钛合金TC4进行了切削加工性的对比。

试验条件和方法

1 试验材料与性能

试验材料选用尺寸为240mm×90mm×50mm的钛合金Ti40,其名义成分为Ti-25V-15Cr-0.2Si,热处理状态为淬火、高温回火后固溶时效处理,其与TC4的成分和性能参数对比分别见表1[12]和表2[912]。从表1可以看出,与TC4相比,Ti40是一种高合金化的单一β相钛合金,β相稳定元素VCr含量高达近40%,较TC4具备更好的力学性能。

 

材料经过切割、镶样、粗抛和精抛,采用金相腐蚀液配比为2%HF+4%HNO3+94%H2O(体积比),得到其与TC4的金相组织形貌显微照片如图1a)和(b)所示。可以看出,Ti40金相组织为等轴晶粒,晶粒粗大,尺寸在50~200μm左右,大约为TC4中α相晶粒大小的10~20倍。

2 试验方法与过程

铣削试验在XS5040型立式铣床上进行,该铣床电机功率13kW,最高转速2500r/min,工作台横向最大进给速度为2500mm/min,工作台尺寸为1600mm×400mm;工件材料为钛合金Ti40TC4

结合3种不同涂层硬质合金刀具的试验结果,如表3所示,TiCN-Al2O3涂层刀具表现出较好的切削性能,故刀具耐用度试验选取TiCN-Al2O3多层CVD涂层机夹式硬质合金可转位刀片(规格为XOEX120431R-M07MS2500),配合使用相应刀柄(规格为R217.69-2525.3-12-3A)进行单齿顺铣加工,刀片和刀柄见图2。切削油选用30#润滑油;刀柄直径D=25mm,刀具安装角度为前角22°、后角12°,刃倾角11°、刀尖圆弧半径3.1mm

 

采用切削速度单因素试验法对刀具耐用度和切削温度进行试验研究,固定轴向切深ap=3mm,径向切宽ae=1mm,每齿进给量fz=0.1mm/z,切削温度采用夹丝(康铜)半人工热电偶法进行测量,并结合Ti40-康铜热电偶温度标定曲线,得到切削温度的实际数值,进而分析不同切削速度条件对刀具耐用度、磨损形式和切削温度的影响规律,图3和图4分别为Ti40铣削加工测温现场、测温所用温度采集卡和测温原始信号。为增大材料去除率,提高加工效率,选用粗加工用量为:切削速度v=30m/min,轴向切深ap=1.5mm,径向切宽选为全刀宽ae=D=25mm,每齿进给量fz=0.1mm/z,同时在同样的参数下铣削加工TC4,以对比两种材料的切削加工性能。利用光学显微镜观察刀具刃口形貌以及前、后刀面的磨损形态,通过刀具磨损测量软件测量后刀面磨损平均值VB和最大值VBmax,精加工和粗加工分别以VBVBmax作为刀具磨钝的评判标准,规定当VB=0.2mmVBmax=0.6mm时即认为刀具失效。同时借助日本电子公司Hitachi S-3400型扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)观察刀具磨损形态,分析刀具表面材料成分,以分析刀具磨损机理。

试验结果与分析

1 刀具磨损与耐用度

刀具耐用度是衡量材料切削加工性的主要指标,试验中对刀具磨损过程进行跟踪,得到在v=30m/min60m/min80m/min100m/min 4种切削速度条件下的刀具磨损曲线如图5所示。可以看出,一方面,刀具耐用度随着切削速度的提高而显著下降,另一方面,当后刀面均匀磨损达到约0.14mm时刀具产生剧烈磨损,甚至是在初期磨损阶段就在前刀面或切削刃处产生剥落或微崩刃,进而在短时间内产生不同程度的破损。在切削速度更高的条件下甚至产生严重的沟槽,刀具材料的粘结撕裂引起了大面积剥落,同时切削加工过程中切削温度高,刀片整体发红,切削油因高温蒸发而产生大量的油雾。由于刀具破损严重,切削过程已变为单纯的刀具与工件的摩擦挤压,切削过程难以进行。在切削速度为v=100m/min条件下达到了最高为375mm3/min的材料去除率,但较低的耐用度显然还远远无法满足材料切削加工的要求。严重的刀具破损情况反映了Ti40钛合金较差的切削加工性。

试验发现,4种不同速度条件以及全刀宽条件下刀具的耐用度较低,失效形式以破损为主,见表4。在v=30m/min的低速条件下,刀具后刀面磨损相对均匀,但在距离刀尖为3mm,即切深线位置,磨损严重,见图6a);随着速度的增加,刀耐用度急剧下降,一般不超过25min,速度达到100m/min后,破损现象更为严重,见图6b),此时耐用度较v=30m/min下降了55%。全刀宽铣削条件下,严重的沟槽磨损使刀具耐用度甚至低于5min,如图7所示。

 

 

2 铣削温度

试验中用夹丝半人工热电偶法对不同速度下的铣削温度进行了测量,发现在切削速度为30m/min时铣削温度已达到了近360℃,速度增加到100m/min时温度上升到了560℃,如图8所示。根据耿国盛研究[13]可知,钛合金TC4在相同加工条件下,在速度为100m/min时,切削温度约为150~200℃,远低于Ti40合金的切削温度。高的切削温度一方面是由于刀具与工件摩擦系数大,切屑流经前刀面时所做的摩擦功大,使其接触表面温度更高;另一方面,材料热传导率低,切削过程产生的切削热积聚于切削刃附近不易散发,造成温度在切削区域附近快速上升。而且,工件弹性模量小会导致已加工表面回弹,使刀具后刀面与工件摩擦更为严重。同时,Ti40是一种高温钛合金,高温性能好,比普通钛合金在高温条件下更能保持较高的强度,而此时,刀具材料会相应地发生软化,切削过程转变成切削刃与工件的挤压过程,造成刀具材料会在摩擦力的作用下容易被剥离刀具基体,见图9

 

3 刀具磨损机理分析

铣削加工作为断续切削产生的振动和冲击使刀具表面受到交变的应力作用和切屑的周期性击打、摩擦升温和空切冷却,在切削油的冷却作用下,刀具表面急剧变热和变冷,从而受到反复的热应力、摩擦应力。对于切削刃上切深线的位置,在加工过程中产生持续的应力集中,切削刃不断与工件表面发生摩擦刻划,使得此处磨损最为严重,沟槽磨损的产生加快了刀具磨损速度,很大程度上降低了耐用度。同时硬质合金刀片硬度高、脆性大,组织上可能不均匀,在加工硬化以及交变的应力作用下,会在内部晶界处产生微裂纹,并逐步扩展,见图10。裂纹的形成使刀具在局部形成应力集中,进而造成刀具材料剥落和崩刃,最终使刀具失效。

热应力产生的裂纹是刀具失效的原因之一。除此之外,工件材料在刀具表面的粘结也是引起刀具磨损剧烈的重要因素,图11为刀具后刀面粘结物和粘结物EDS扫描图。由图11a)不难看出,钛合金材料在刀具后刀面存在严重的粘刀现象。

试验中钛合金Ti40除了含有Ti之外,还含有VCr等主要元素。图11b)为图11a)中粘结物的EDS能谱分析结果。粘结处能谱分析的结果表明,刀具表面含有大量的TiVCr元素,且由表5可见,扫描区域元素含量与Ti40名义成分(Ti-25V-15Cr)非常相近,说明刀具前后刀面均粘结有工件材料。切削过程中,粘结是材料发生塑性变形后而产生的所谓冷焊现象,主要发生在足够大的压力和足够高的温度作用下。由于钛合金较高的化学活性,在一定的高温范围内,工件材料与刀具材料发生较强的亲和作用,刀具中的晶粒会粘结到切屑和工件当中,进而被切屑和工件材料带走,造成粘结磨损。随着切削速度的提高,刀具与工件相对运动加剧,切削温度升高,刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降,刀具材料相应发生软化,碳化钨等粒子易于分离出刀具基体,造成更为严重的粘结,使刀具耐用度进一步降低。

为了对比不同材料的加工性,研究中在同样的切削参数和冷却条件下对钛合金TC4进行了全刀宽加工。结果表明,刀具在切削进行30min后后刀面磨损仅为0.1mm,刀具还处于初期磨损阶段,且切削过程温度较低,刀具磨损均匀,均无破损现象发生,如图12所示,显示出Ti40的切削加工性远差于TC4

结论

本文采用涂层硬质合金刀具对新型阻燃β型钛合金Ti40进行了铣削加工性研究,采用刀具磨损测量系统和扫描电镜及能谱分析等手段,同时与钛合金TC4进行对比研究,分析刀具失效形式及磨损形态、机理。研究发现阻燃钛合金Ti40切削加工性远差于钛合金TC4,涂层硬质合金刀具耐用度低,主要失效形式为破损,同时剥落和崩刃现象显著。刀具磨损过程中,磨损带非均匀发展,且沟槽磨损严重,普遍在初期磨损之后进入剧烈磨损阶段,仅在切削速度很低的条件下表现出正常磨损,提高切削速度和全刀宽切削条件会显著加剧刀具磨损,降低刀具寿命;另一方面,Ti40材料铣削加工过程中温度高,是常规α+β型钛合金TC4同等加工条件下的3~4倍。温度冲击使刀具内部应力过大而产生裂纹,进而造成刀具材料脱落。

结上所述,可以发现,现有试验条件下,较高切削速度及全刀宽不适合加工钛合金Ti40,适宜切削速度为60m/min以下。加工效率低和刀具破损严重是Ti40铣削加工存在的主要问题。鉴于此,后续研究中有必要在已有研究成果基础之上,从优化刀具几何参数和改善冷却条件入手,优化切削用量,以提高生产效率。

本文共有参考文献13篇,因篇幅所限,未能一一列出,如有需要,请向本刊编辑部索取。

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