關(guān)艷英，魯　華，朱妍如

(中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司，陜西　西安　710089)

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損傷容限型TC21鈦合金切削加工工藝研究概述

關(guān)艷英，魯華，朱妍如

(中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司，陜西西安710089)

為克服TC21鈦合金切削加工難題，促進(jìn)其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司開展了TC21鈦合金的各種機(jī)械加工工藝研究。介紹了該項研究所取得的成果，給出了TC21鈦合金的鋸切、車削、鏜削、銑削、鉆削、鉸削、磨削與攻絲等各種切削加工方法的刀具選擇方案和工藝參數(shù)，供同行業(yè)技術(shù)人員借鑒和參考。

TC21鈦合金；切削加工；刀具幾何參數(shù)；工藝參數(shù)

0　引　言

鈦及鈦合金屬于難切削加工金屬。這是因為鈦的導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性高，在切削加工時，切削產(chǎn)生的熱難以散出，導(dǎo)致工件和刀具溫度升高。高溫下鈦易與空氣中的氧和氮結(jié)合，在表面形成冷硬層，使切削難度加大。另外，由于鈦的彈性模量小，切削加工時在徑向力的作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起共振，加大刀具磨損，降低零件的加工精度。

而TC21鈦合金屬高強(qiáng)、高韌鈦合金，為鈦合金中難變形的一種，是我國自主研發(fā)的損傷容限型鈦合金，其名義成份為Ti-6Al-3Mo-2Nb-2Sn-2Zr-1Cr，是制造航空結(jié)構(gòu)件的重要材料之一。在雙重退火狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度達(dá)1 100 MPa以上，切削加工更加困難。該合金切削變形系數(shù)小，切削加工時單位面積上的切削力大[1-2]，加速刀具磨損且容易蹦刃，嚴(yán)重制約了TC21鈦合金在航空領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。為了解決TC21鈦合金切削加工難題，中航飛機(jī)股份有限公司西安飛機(jī)分公司開展了TC21鈦合金各種機(jī)械加工工藝的研究，探索了穩(wěn)定的切削加工工藝參數(shù)和成熟的加工方法，建立了完整的技術(shù)要求體系，為損傷容限型TC21鈦合金更廣泛的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文對該項研究所取得的成果進(jìn)行總結(jié)，供同行業(yè)技術(shù)人員借鑒和參考。

1　鋸切加工

TC21鈦合金的鋸切比較容易，但在加工過程中應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：①鋸切時應(yīng)充分施加冷卻液，并且鋸切速度和進(jìn)給速度不應(yīng)過快，不能引起切削表面和鄰近表面產(chǎn)生熱變色；②鋸切時不應(yīng)產(chǎn)生火花流和熔化細(xì)粒，更不允許有細(xì)粒粘到零件表面。

2　車、鏜加工

TC21鈦合金的車、鏜加工只要刀具、切削液、切削參數(shù)選擇的合理，就會順利進(jìn)行。車削TC21鈦合金氧化皮時應(yīng)采用硬質(zhì)合金刀具，切削深度大于氧化皮的厚度，進(jìn)給量略大些，切削速度應(yīng)低一些。推薦使用的車削工藝參數(shù)見表1。

經(jīng)研究，TC21鈦合金車削和鏜削加工時，推薦按表2選擇刀具幾何參數(shù)。推薦按表3和表4選擇加工工藝參數(shù)。

表1　車削TC21鈦合金氧化皮的工藝參數(shù)Table 1　Turning parameters of turning oxide skin for TC21 titanium alloy

表2　推薦的車削和鏜削TC21鈦合金的刀具幾何參數(shù)Table 2　Recommend geometry parameters of turning and boring tools for TC21 titanium alloy

表3　推薦的車削TC21鈦合金的工藝參數(shù)Table 3　Recommend turning parameters of TC21 titanium alloy

表4推薦的鏜削TC21鈦合金的工藝參數(shù)

Table 4　Recommend boring parameters of TC21 titanium alloy

3　銑削加工

銑削加工是鈦合金最常用的一種機(jī)加工手段。根據(jù)銑刀的旋轉(zhuǎn)方向和零件的進(jìn)給方向，可以分為順銑和逆銑。順銑為銑刀旋轉(zhuǎn)方向與零件進(jìn)給方向相同，而逆銑為銑刀的旋轉(zhuǎn)方向與零件進(jìn)給方向相反，如圖1所示。TC21鈦合金銑削加工時，切屑粘結(jié)刀刃非常嚴(yán)重，銑刀的耐用度很低，很容易磨損和崩刀。因此，銑削加工TC21鈦合金時應(yīng)正確地選擇銑削方式、刀具材料和加工參數(shù)。

開展了順銑和逆銑TC21鈦合金M42高速鋼刀具耐用度對比試驗，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，在TC21鈦合金銑削的初始15 min，順銑刀具的磨損量增長要比逆銑快。這可以解釋為：在銑削的初始階段由于順銑吃刀量比逆銑大，切屑由厚變薄，所需切入應(yīng)力比逆銑大，刀具磨損也就嚴(yán)重。之后順銑刀具磨損增長率放緩，在25 min左右兩種加工方式刀具的磨損量達(dá)到一致。隨即順銑刀具的磨損量趨于平衡，不再增加，而逆銑仍以一定的斜率直線增長。在銑削加工進(jìn)行到90 min時，順銑刀具的磨損量幾乎為逆銑的一半。表明順銑刀具比逆銑刀具耐用。這可以解釋為，隨著加工持續(xù)，TC21鈦合金與刀刃接觸因表面散熱不暢而形成了一層表面硬化層，由于順銑吃刀量大，可以避免在在前一刀切削造成的硬化表面上切入；而逆銑吃刀量小，切屑由薄變厚，恰在硬化層上切入零件，所需切入應(yīng)力大幅增加，高于順銑，刀具磨損量繼續(xù)直線上升，加快刀具磨損或出現(xiàn)崩刀現(xiàn)象。

圖1　順銑和逆銑示意圖Fig.1　Sketch of down milling and up milling

圖2　逆銑與順銑TC21鈦合金M42高速鋼刀具耐用度比較Fig.2　M42 cutting tools’durability comparison between down milling and up milling for TC21 titanium alloy

另外，對比檢查了工件的表面粗糙度，結(jié)果表明順銑的粗糙度值僅為逆銑的一半左右。因此，銑削加工TC21鈦合金應(yīng)采用順銑方式。

通常粗銑加工由于加工量大，不宜選用高速鋼刀具，易燒刀，推薦使用硬質(zhì)合金刀具。精銑加工由于加工量小，可選用M2A1和M42高速鋼刀具。而對鈦合金而言，M42刀具的切削性能比M2A1刀具好。TC21鈦合金銑削加工試驗表明，高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具均可進(jìn)行TC21鈦合金銑削加工，但是焊接式硬質(zhì)合金刀(Y330或9SiCr)和整體硬質(zhì)合金刀(KMG405或SPDK460)使用性能好且耐用，尤其是整體硬質(zhì)合金刀比焊接式硬質(zhì)合金刀具剛性和抗沖擊性能高，耐磨性能好，使用性能更佳，更耐用。銑削加工TC21鈦合金刀具參數(shù)可按表5選擇。

TC21鈦合金銑削工藝參數(shù)應(yīng)考慮機(jī)床的狀態(tài)、冷卻條件、零件表面狀況、刀具參數(shù)等各方面的因素，推薦參考表6、表7、表8、表9、表10和表11選擇，表中D為銑刀直徑。

表5　推薦的銑削加工TC21鈦合金的銑刀幾何參數(shù)Table 5　Recommend parameters of milling tools for TC21 titanium alloy

表6　推薦的數(shù)控粗銑TC21鈦合金的工藝參數(shù)Table 6　Recommend parameters of numerical control rough milling of TC21 titanium alloy

表7　推薦的普通銑削TC21鈦合金氧化皮的工藝參數(shù)Table 7　Recommend parameters for ordinary milling oxide skin of TC21 titanium alloy

表8　推薦的數(shù)控銑削TC21鈦合金氧化皮的工藝參數(shù)Table 8　Recommend parameters of numerical control milling oxide skin for TC21 titanium alloy

表9　推薦的普通粗銑TC21鈦合金的工藝參數(shù)Table 9　Recommend parameters of ordinary rough milling for TC21 titanium alloy

表10　推薦的數(shù)控精銑TC21鈦合金的工藝參數(shù)Table 10　Recommend parameters of numerical control precision milling for TC21 titanium alloy

表11　推薦的普通精銑TC21鈦合金的工藝參數(shù)Table 11　Recommend parameters of ordinary precision milling for TC21 titanium alloy

4　鉆、鉸加工

TC21鈦合金鉆、鉸加工刀具可選擇高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具，高速鋼刀具材料通常選擇M42和W18Cr4V，硬質(zhì)合金刀具材料通常選擇YG8和YK30F。

鉆削速度是影響鉆頭耐用度的主要因素。鉆削速度越快，鉆削溫度越高，鉆頭越容易粘結(jié)削，所以在鉆削加工中必須嚴(yán)格控制鉆削參數(shù)。

TC21鈦合金鉸削速度一般選擇2～8 m/min，鉆削、鉸削工藝參數(shù)可參考表12、表13、表14和表15。

表12　推薦的數(shù)控鉆削TC21鈦合金的工藝參數(shù)Table 12　Recommended parameters for numerical control drilling of TC21 titanium alloy

表13　推薦的普通鉆削TC21鈦合金的工藝參數(shù)Table 13　Recommended parameters for ordinary drilling of TC21 titanium alloy

表14　推薦的手動鉸削TC21鈦合金的工藝參數(shù)Table 14　Recommended parameters of manual reaming for TC21 titanium alloy

表15　 推薦的機(jī)械鉸削TC21鈦合金的工藝參數(shù)Table 15　Recommended parameters of machine reaming for TC21 titanium alloy

5　磨削與攻絲

磨削加工可獲得較高的表面精度，但磨削易燒傷零件，尤其是導(dǎo)熱系數(shù)小的鈦合金。磨削TC21鈦合金零件時，要求充分連續(xù)冷卻，嚴(yán)禁干磨。磨削方法可分為平面磨、外圓磨和內(nèi)圓磨。TC21鈦合金磨削加工工藝參數(shù)可參考表16。

表16　推薦的TC21鈦合金磨削加工參數(shù)Table 16　Recommended parameters for milling TC21 titanium alloy

TC21鈦合金攻絲時，應(yīng)選擇合理的刀具幾何參數(shù)及合適的切削液。攻絲前制備的底孔按最大公差，不通孔的底孔深度選最大公差，鉆出的底孔質(zhì)量高。加工時進(jìn)給速度必須適當(dāng)，退出絲錐時速度不能過快。

[1]航空制造工程手冊總編委會.航空制造工程手冊:金屬材料切削加工[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994.

[2]韓世波，徐冰，廖善聯(lián)，等.飛機(jī)用鈦合金結(jié)構(gòu)件高效精密加工技術(shù)[J].鈦工業(yè)進(jìn)展,2015, 32(3):35-38.

Overview of Research on Cutting Process of Damage-tolerance TC21 Titanium Alloy

Guan Yanying，Lu Hua，Zhu Yanru

(AVIC Aircraft Company Ltd. Xi’an Branch,Xi’an 710089,China)

In order to overcome the problem in cutting process of TC21 titanium alloy, and to promote its application in aviation, the research on a variety of cutting processes of TC21 titanium alloy were carried out in AVIC Aircraft Company Ltd. Xi’an Branch.The results were introduced, and the tool selection schemes and technical parameters of sawing, turning, boring, milling, drilling, reaming, grinding and tapping processes were given, as the reference for technicians in titanium industry

TC21 titanium alloy; cutting process; geometry parameter of tool; technical parameter

2016-02-26

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項課題資助項目(2013ZX04001-021)

關(guān)艷英(1976—)，女，工程師。

TG506

A

1009-9964(2016)03-0008-05