钛合金、高温合金的车削


这几年,钛合金,高温合金在航空领域中的应用普及开来,特别是在涡轮叶片,压气机,框架零件中的应用。材质优点被人们广泛认识后,现已被推广到了汽车、医药、化工、小件及其他一些工业领域中。随钛合金,高温合金在工业领域的应用越来越广泛,对这样的难加工材质的加工也成了人们非常关注的难题。
高的强度/重量比,令钛具有高的耐用度。与合金钢,铸铁相比,钛具有更好的强度、韧性、延展性。另外,钛还具有抗氧化性与耐腐蚀性这两个对机械零件很重要的特性。尽管具有上述优点,其难加工性却让人望而却步。
同样的问题也出现在对高温合金的加工中。其难点在于切削过程中伴随高切削力产生的局部高温。因局部高温会导致切削刃的损坏,主要表现为剥落、变形。

尽管在加工相同硬度的工件时,加工钛合金的切削力并不比加工钢件的切削力高很多,对钛合金的加工过程却更加复杂与困难,列举如下:
钛的低导热系数的特性,使得产生的大部分切削热,残留在刀尖上。在车削过程中,零件表面会产生加工硬化现象,影响零件表面含钛量的均匀性,降低抗疲劳强度,零件几何尺寸精度。在极个别的情况下,切削热甚至会引起火花。在重型加工中,钛的低弹性模量,会导致变形与震动。
此外,依据化学性能,钛具有与刀具材质发生化学反应的特性,会加速月牙洼的形成。
通常情况下,刀具的磨损会以边界磨损、积屑瘤的形式出现。边界磨损沿切削刃,在后刀面与前刀面同时出现,随切深的不同而变化。
铸件、锻件、热处理后、前面的工序所造就的硬化表面层,也是造成刀片磨损的原因之一。切削刃的局部温度常常超过800° C,这会引起刀片材质与工件材质之间的化学反应和物理扩散,最终造成边界磨损。
另一种情况是,在加工过程中,当刀具与工件的接触面达到一定温度同时压力又较高时,在冷焊的作用下,工件材料粘结在前刀面上,形成积屑瘤。积屑瘤不断形成,又不断从刀片上剥落,每次剥落都会同时剥离掉刀片上的一部分合金材质,加速刀具的磨损。

在实际加工中,ISCAR提出的解决方案:
一、刀片涂层:ISCAR强烈推荐采用超细基体的TiAIN PVD涂层来加工钛合金、高温合金。PVD所带来的薄的、光滑的涂层表面,与基体之间强的粘附力,提高了刀具抗剥落、抗月牙洼的能力。因而,PVD涂层令刀片具有更好的耐磨性,化学稳定性,抗积屑瘤的性能。
二、仅靠涂层是不足以解决加工问题的,还需要正确的加工方案:
1、采用大前角刀具,以有效降低切削力,切削热,同时工件的尺寸偏差最小;
2、恒定的进给是有效预防工件表面加工硬化的有效方法。
3、大流量的冷却液,也是加工这些工件材料所必需的。冷却液的使用,确保了热稳定性,防止了因切削热局部集中造成的工件材质表面的金相变化及刀具失效。局部集中冷却或有意识地选择冷却液流向,是很有用的方法,事实上,冷却液甚至可以扮演工件与切屑之间的屏障的作用。
4、改变主偏角,选择基体强度大的园刀片,也能有效地减少边界磨损。
事实上,ISCAR早已拥有一系列解决钛合金,高温合金难加工的方案。世界知名的几大航空制造商,均采纳了ISCAR的CUT-GRIP霸王刀系列刀具,用于切断,切槽加工,特别是复杂的喷气式发动机组件。
此外,ISCAR还针对镍基合金、高温合金、钛合金研发了IC907,IC3028。并在ISO标准刀片中也开发了适用于这两个牌号的独特的槽型。
附图请见材质为inconel 718的整流罩,就是ISCAR所作的解决复杂零件加工中的一例。这个项目中,大量的材料会被切除,加工过程需要多层切槽。ISCAR为这个零件设计了独特的刀杆、刀片,成功地用CUT-GRIP霸王刀系列解决了加工此复杂零件的难题。
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