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TA15、TB6钛合金切削加工用量和刀具的选择
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-03-27
提出的TA15、TB6钛合金切削加工用量及刀具的选择方法，在TA15、TB6钛合金零件研制过程中得到了验证，为今后进一步开展其他钛合金切削加工的研究提供了参考与借鉴。
TA15、TB6两种钛合金材料具有重量轻、强度高、耐热、耐腐蚀、疲劳性能好等一系列优良的力学、物理性能，成为航空航天、核能、船舶等领域理想的结构材料之一。但由于该材料价格昂贵，难加工，尤其是铣削加工制造周期长、成本高，制约了它的应用。而新一代航空产品需要具备更优异的性能新材料、新结构、新工艺被广泛应用。同时，为了竞争的需要，研制周期短和制造成本低是取胜的关键，因此，开展对TA15、TB6两种钛合金材料切削加工的研究是必要的，特别是铣削高效加工的探索尤其显得紧迫和重要。
TA15、TB6钛合金材料主要特征
TA15 a钛合金是a相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在930MPa以上，耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，500～600 ℃下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。
TB6 b钛合金是b相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在1105MPa 以上，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。
TA15、TB6钛合金的切削加工工艺特性
·摩擦系数大，导热系数低，刀尖切削温度高。钛合金热导率仅为钢的1/4 、铝的1/14 、铜的1/25 , 因而散热慢，不利于热平衡。切削时产生的切削热都集中在刀尖上，使刀尖
·温度很高，易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。
·弹性模量小。钛合金的弹性模量只有30CrMnSi的56% ，这说明零件的刚性差，切削时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命；同时造成已加工面的弹性恢复较大，刀具后面摩擦增加导致刀具过快磨损。
·化学活性大。在300℃ 以上时有强烈的吸氢、氧、氮的特性，造成加工表面易产生脆硬的化合物，切屑形成短碎片状，使刀具极易磨损。
·钛合金化学亲和力较强，极易与其他金属亲和结合。在加工中切屑与刀具的粘结现象严重，使刀具的粘结和扩散磨损加大。
TA15、TB6钛合金零件切削用量和刀具参数的选择
1) 主要加工方法
钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄(2～3mm) ，主要配合表面的尺寸精度、形位公差又较严，因此每项结构件都必须按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排工序。主要表面分阶段反复加工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计图的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削、攻丝等。
2) 铣削用量及刀具的选择
钛合金结构件中大量应用铣削加工，如零件内外型面。
刀具应选择具有高硬度、高抗弯强度和韧性、耐磨性好、热硬性好、工艺性好、散热性好的材料，主要为高速钢W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金YG8、K3O、Y330。
刀具几何参数应以保证刀具强度高、刚性好、锋利为原则，细长比不能过大，并分粗、精加工两种，加工时最好采用顺铣。铣削刀具参数见表1，常规加工铣削用量见表2。
表2 常规加工铣削用量
在上述常规加工的基础上，为进一步提高铣削加工效率，我们在强力铣加工中心机床上进行了高效铣削试验，获得了较理想的切削用量、刀具和切削液，铣削用量数据见表3。
通过高效铣削与常规对比可以看出，高效铣削加工比常规加工效率提高了2～4倍，零件表面质量也得到较大的提高，加工周期大大缩短，制造成本相应降低。
3) 车削用量及刀具的选择
在刀具、切削用量、切削液选择合理的情况下，钛合金车削并不困难，与加工合金钢接近。但车削钛合金表面氧化皮较为困难，一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮，然后车削剩余的氧化皮，车削时切削深度应超过氧化皮深度1～5倍，走刀量可加大，但切削速度应降低。
刀具材料应选择YG类硬质合金材料。
刀具几何参数选择：前角g0=4°～8°，后角a0=12°～18°，主偏角Ø45°～75°，刃倾角l=0°，刀尖圆弧半径r=0.5～1.5mm 。
切削用量的选择：主轴转速n≥23Or/min，进给量f ≥0.10～0.15mm/r ，切削深度ap=1.5～2.0mm 。
车削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，提高刀具的耐用度。
4) 磨削用量及刀具的选择
磨削加工可获得较高精度，但由于钛合金的特有性质决定了钛合金磨削非常困难。磨削时砂轮磨损严重，容易变钝，磨削比也较低；同时易在表面产生有害的拉应力及严重的表面烧伤现象，因此应尽量避免磨削加工，以精铣代替。
磨削材料选择：磨削钛合金选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料。如出现磨削烧伤趋势，应使用人造金刚石或立方氮化硼砂轮，其效果好，但价格昂贵。砂轮硬度选择较软砂轮R3、ZR1、ZR2，粒度选择46、60为佳，选A类结合剂。
磨削用量选择见表4。
钛合金零件在磨削过程中必须充分冷却，否则零件会变色甚至烧伤。磨削液除具有冷却、润滑和冲洗作用外，更重要的还在于能有效地抑制钛与磨料的粘附和化学反应。
5) 钻削用量及钻头的选用
钛合金钻削材料应选择具有足够的硬度、强度、韧性、耐磨性及与钛合金亲合能力低的材料，主要为W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al、W12Cr4V4Mo、W2Mo9Cr4VCo5和YG8、K30等。
钻头的几何形状，应注意：
·适当增大钻头顶角，顶角范围由118°～120°增加到135 °～140°，其目的是增强切削部分并使切削厚度增加，改善钻削效果。
·选择合适的螺旋角β，β角增加，前角也增加，切削轻快，易于排屑，扭矩和轴向力也小，见表5。
·增大钻心厚度，以提高钻头强度。钻心厚度一般为：K=(0.45～0.32)D，D为钻头直径。
·增大钻头外缘处后角，可以使横刃锋利，改善切削性能，特别对钻心处的钻削加工有明显改善，外缘处后角选择见表6 。
·加工成倒锥K，减小棱带同孔壁摩擦，使钻头切削时扭矩减小，提高效率，倒锥度见表7。
钻削用量见表8 。
表8 钻头直径D与切削用量的关系
钛合金进行钻削和攻丝加工时最好不用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆。钻削浅孔时，可用电解切削液；钻削深孔时，可用N32机械油加煤油，也可用硫化切削。
6) 铰削用量及刀具的选用
钛合金铰孔是最后一道精加工工序，不仅要考虑生产率的问题，更重要的是要保证孔的加工质量(精度和表面粗糙度)。为此必须保证刀具质量，合理选择切削用量，注意铰刀与钻铰模的协调和正确的操作技术。通过钻孔→扩孔(粗铰)→精铰的加工方法，一般都能满足产品零件规定的要求。
刀具材料一般选用M42高速钢或硬质合金K30。刀具的几何参数为：前角g0=3°～7°，后角a0=12°～18°，主偏角Ø=5°～18°，刃倾角l=0°。校准部分刃带宽度b=0.05～0.15mm ，过宽容易同钛合金加工表面粘结，过窄容易在铰削时产生振动。铰刀齿数Z=4～8(铰刀直径为Ø10～20mm)。我们加工的肋和接头，因加工的两孔跨度较长，同轴度要求较高，为此专门设计了加长钻头和铰刀。
切削用量的选择见表9。
TA15、TB6钛合金材料主要特征
TA15 a钛合金是a相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在930MPa以上，耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，500～600 ℃下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。
TB6 b钛合金是b相固熔体组成的单相合金。该合金室温强度在1105MPa 以上，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。
TA15、TB6钛合金的切削加工工艺特性
·摩擦系数大，导热系数低，刀尖切削温度高。钛合金热导率仅为钢的1/4 、铝的1/14 、铜的1/25 , 因而散热慢，不利于热平衡。切削时产生的切削热都集中在刀尖上，使刀尖
·温度很高，易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。
·弹性模量小。钛合金的弹性模量只有30CrMnSi的56% ，这说明零件的刚性差，切削时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命；同时造成已加工面的弹性恢复较大，刀具后面摩擦增加导致刀具过快磨损。
·化学活性大。在300℃ 以上时有强烈的吸氢、氧、氮的特性，造成加工表面易产生脆硬的化合物，切屑形成短碎片状，使刀具极易磨损。
·钛合金化学亲和力较强，极易与其他金属亲和结合。在加工中切屑与刀具的粘结现象严重，使刀具的粘结和扩散磨损加大。
TA15、TB6钛合金零件切削用量和刀具参数的选择
1) 主要加工方法
钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄(2～3mm) ，主要配合表面的尺寸精度、形位公差又较严，因此每项结构件都必须按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排工序。主要表面分阶段反复加工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计图的要求。其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削、攻丝等。
2) 铣削用量及刀具的选择
钛合金结构件中大量应用铣削加工，如零件内外型面。
刀具应选择具有高硬度、高抗弯强度和韧性、耐磨性好、热硬性好、工艺性好、散热性好的材料，主要为高速钢W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金YG8、K3O、Y330。
刀具几何参数应以保证刀具强度高、刚性好、锋利为原则，细长比不能过大，并分粗、精加工两种，加工时最好采用顺铣。铣削刀具参数见表1，常规加工铣削用量见表2。
表1 铣削刀具参数
| 刀具 | 前角g0 (°) |
后角a0 (°) |
螺旋角b (°) |
刀尖 | 齿背 | 备注 | |
| 立铣刀 | 粗 | O～4 | 12～15 | 30～45 | 按需 | R形 | b大：切削平稳 |
| 精 | 4～8 | 15～20 | 30～45 | 按需 | R形 | a0大：切削力小，机床震动小 | |
| 三面刃铣刀 | 3～10 | 12～15 | - | 按需 | - | - | |
| 端铣刀 | 0～5 | 12～15 | - | - | - | 主偏角Ø45°～75° | |
表2 常规加工铣削用量
| 刀具材料 | 立铣刀直径d (mm) |
切削速度V (m/min) |
进给量f (mm/min) |
切削深度ap (mm) |
切削宽度ac (mm) |
切削刃总长l (mm) |
使用机床 |
| K30 | ≤25 | 25～35 | 50～100 | 0.3～0.5 | 1.5 | 50～150 | 数控加工中心 |
| K30 | >25 | 25～35 | 100～150 | 0.3～0.5 | 2.5 | 50～150 | 数控加工中心 |
表3 高效加工铣削用量
| 刀具材料 | 立铣刀直径d (mm) |
切削速度V (m/min) |
进给量f (mm/min) |
切削深度ap (mm) |
切削宽度ac (mm) |
切削刃总长l (mm) |
使用机床 |
| K30 | ≤25 | 40～70 | 200～300 | 0.3～0.8 | 1.5～5 | 30～40 | 强力铣加工中心 |
| K30 | >25 | 40～120 | 300～400 | 0.3～0.8 | 2.5～8 | 30～60 | 强力铣加工中心 |
3) 车削用量及刀具的选择
在刀具、切削用量、切削液选择合理的情况下，钛合金车削并不困难，与加工合金钢接近。但车削钛合金表面氧化皮较为困难，一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮，然后车削剩余的氧化皮，车削时切削深度应超过氧化皮深度1～5倍，走刀量可加大，但切削速度应降低。
刀具材料应选择YG类硬质合金材料。
刀具几何参数选择：前角g0=4°～8°，后角a0=12°～18°，主偏角Ø45°～75°，刃倾角l=0°，刀尖圆弧半径r=0.5～1.5mm 。
切削用量的选择：主轴转速n≥23Or/min，进给量f ≥0.10～0.15mm/r ，切削深度ap=1.5～2.0mm 。
车削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，提高刀具的耐用度。
4) 磨削用量及刀具的选择
磨削加工可获得较高精度，但由于钛合金的特有性质决定了钛合金磨削非常困难。磨削时砂轮磨损严重，容易变钝，磨削比也较低；同时易在表面产生有害的拉应力及严重的表面烧伤现象，因此应尽量避免磨削加工，以精铣代替。
磨削材料选择：磨削钛合金选用绿碳化硅(TL)、黑碳化硅(TH)两种磨料。如出现磨削烧伤趋势，应使用人造金刚石或立方氮化硼砂轮，其效果好，但价格昂贵。砂轮硬度选择较软砂轮R3、ZR1、ZR2，粒度选择46、60为佳，选A类结合剂。
磨削用量选择见表4。
表4 磨削用量
| 磨削方法 | 砂轮速度v (m/s) |
工作台速度V1 (m/min) |
工件速度V2 (m/min) |
磨削深度ap (mm) |
横向进给①fa (mm/st) |
纵向进给②fb (mm/r) (砂轮宽度B) |
|
| 平面磨 | 粗 | 15～18 | 10～20 | - | 0.025～0.035 | 0.5～4.0 | - |
| 精 | 15～18 | 6～12 | - | 0.010(最大) | 0.5～4.0 | - | |
| 外圆磨 | 粗 | 15～18 | - | 15～30 | 0.025～O.035 | - | 1/5B |
| 精 | 15～18 | - | 15～30 | 0.010(最大) | - | 1/10B | |
| 注：①横向进给fa(mm/st)指工作台每单行程砂轮对工件横向移动量；②纵向进给fb(mm/r)指工件每旋转一转，砂轮对工件纵向移动量。 | |||||||
5) 钻削用量及钻头的选用
钛合金钻削材料应选择具有足够的硬度、强度、韧性、耐磨性及与钛合金亲合能力低的材料，主要为W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2Al、W12Cr4V4Mo、W2Mo9Cr4VCo5和YG8、K30等。
钻头的几何形状，应注意：
·适当增大钻头顶角，顶角范围由118°～120°增加到135 °～140°，其目的是增强切削部分并使切削厚度增加，改善钻削效果。
·选择合适的螺旋角β，β角增加，前角也增加，切削轻快，易于排屑，扭矩和轴向力也小，见表5。
表5 不同规格钻头的螺旋角
| 钻头直径D：(mm) | 2～6 | 6～18 | 18～50 |
| 螺旋角b：(°) | 43～45 | 40～42 | 35～40 |
·增大钻头外缘处后角，可以使横刃锋利，改善切削性能，特别对钻心处的钻削加工有明显改善，外缘处后角选择见表6 。
表6 钻头直径与外缘处后角af的关系
| 钻头直径D：(mm) | 2～6 | 6～18 | 18～50 |
| 外缘处后角af：(°) | 17～20 | 15～18 | 12～15 |
钻削用量见表8 。
表7 钻头直径D与倒锥度的关系
| 钻头直径D：(mm) | 2～6 | 6～18 | 18～50 |
| 倒锥度：(mm/100mm) | 0.03～0.05 | 0.04～0.08 | 0.05～0.12 |
表8 钻头直径D与切削用量的关系
| 钻头直径D：(mm) | 主轴转速(r/min) | 进给量f (mm/r) |
| ≤3 | 650～450 | 0.04～0.06 |
| 3～6 | 450～350 | 0.06～0.11 |
| 6～10 | 350～300 | 0.07～0.12 |
| 10～15 | 250～200 | 0.08～0.14 |
| 15～20 | 180～150 | 0.11～0.15 |
| 20～25 | 120～90 | 0.12～0.20 |
6) 铰削用量及刀具的选用
钛合金铰孔是最后一道精加工工序，不仅要考虑生产率的问题，更重要的是要保证孔的加工质量(精度和表面粗糙度)。为此必须保证刀具质量，合理选择切削用量，注意铰刀与钻铰模的协调和正确的操作技术。通过钻孔→扩孔(粗铰)→精铰的加工方法，一般都能满足产品零件规定的要求。
刀具材料一般选用M42高速钢或硬质合金K30。刀具的几何参数为：前角g0=3°～7°，后角a0=12°～18°，主偏角Ø=5°～18°，刃倾角l=0°。校准部分刃带宽度b=0.05～0.15mm ，过宽容易同钛合金加工表面粘结，过窄容易在铰削时产生振动。铰刀齿数Z=4～8(铰刀直径为Ø10～20mm)。我们加工的肋和接头，因加工的两孔跨度较长，同轴度要求较高，为此专门设计了加长钻头和铰刀。
切削用量的选择见表9。
表9 铰削用量
| 刀具材料 | 铰刀直径D (mm) |
主轴速度n (r/min) |
每齿进给量ar (mm) |
铰削余量(单边)ap (mm) |
| M42 | ≤10 | 250～120 | 0.02～0.04 | 粗铰：0.10～0.15 |
| >10～20 | 120～80 | 0.025～0.050 | 精铰：0.05～0.10 | |
| K30 | ≤10 | 800～400 | 0.02～0.04 | 粗铰：0.1～0.2 |
| >10～20 | 400～200 | 0.025～0.050 | 精铰：0.05～0.10 |
铰削时应不断地注人冷却润滑液以获得较好的表面粗糙度，同时应勤排屑，及时清除铰刀刃上的切屑末，铰削时要匀速地进退刀。
7) 攻丝用量及刀具参数的选
钛合金攻丝时会产生很大的挤压变形，作用在螺纹齿侧的摩擦力加大，这样不但使加工出来的螺纹表面粗糙度不好，而且丝锥容易折断。为了改变这种情况，可以采用跳牙丝锥或改进丝锥结构(加大校正段刀齿的后角或加大倒锥度)的方法，以减少切削扭矩和摩擦扭矩，增大容屑空间，改善攻丝的切削性能。另外，钛合金攻丝前的底孔直径一般应大于标准值，而且底孔的表面粗糙度应达到Ra≤3.2µm 。
刀具材料和几何参数选橄丝锥材料选用M2Al、M42高速钢。丝锥几何参数为：前角g0=5°～8°，后角a0=8°～10°，丝锥校堆段齿背圆柱刃带b1=0.1～0.2mm 。主偏角Ø6°～10°(通孔)、Ø=15°～20°(不通孔)；头锥Ø=2°～3°，二锥Ø=4°～5°。
切削用量选择：攻丝的切削用量也只有速度(转速)一项可选，钛合金攻丝速度v为3～6m/min。攻丝时应及时清除丝锥刃部毛刺、切屑末，以免损伤螺纹；攻丝时要勤退刀。
攻丝时要加适量的冷却润滑液，建议使用蓖麻油或机油，以保证螺纹粗糙度要求。
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