王 鵬,李媛媛,董新飛,孫旭東
(西部金屬材料股份有限公司,陜西 西安 710201)
鈦合金是一種非常重要的材料,不僅具有較高的強度,而且質(zhì)量輕,具有良好的抗腐蝕性和力學(xué)性能,因此,在海洋技術(shù)領(lǐng)域及空間技術(shù)領(lǐng)域有著非常普遍的應(yīng)用,但鈦合金銑削加工一直是一個難點問題[1]。為了研究鈦合金銑削加工技術(shù),本文以鈦合金光學(xué)鏡為例,對數(shù)控加工技術(shù)在鈦合金材料加工中的應(yīng)用展開探討。
①鈦合金材料強度高,可以達(dá)到1500MPa以上,密度小,只有4.5g/cm3,是比強度最高的金屬材料之一。②鈦合金高溫強度高,在300℃~500℃具有非常好的熱穩(wěn)定性,與鋁合金相比強度高出其數(shù)十倍之多。③鈦合金抗蝕性非常的突出,在海水介質(zhì)以及潮濕大氣當(dāng)中,鈦合金與不銹鋼相比,其抗蝕性好更好,在抵抗應(yīng)力腐蝕、點蝕、酸蝕方面性能更加優(yōu)越。④鈦合金有著非常強的化學(xué)活性,與大氣中02、N、H、C0、C02、水蒸氣等接觸之后能夠形成強大的化學(xué)反應(yīng),溫度在600℃時,具有強烈的吸氧性,形成硬化層,具有非常高的硬度,脆化層和H含量有著至關(guān)重要的影響。⑤鈦導(dǎo)熱性不良,導(dǎo)熱系數(shù)偏低,是Ni、Fe、A1的1/4、1/5、1/14。而在導(dǎo)熱系數(shù)方面鈦合金材料更低,通常在50%。
將加工鈦合金光學(xué)鏡筒作為研究對象,探討其加工工藝過程中存在的一些難點,選擇冷卻液與刀具,對比相關(guān)的加工措施,闡述分析鈦合金銑削加工工藝[2]。
(1)光學(xué)鏡筒零件介紹及加工內(nèi)容。對于光學(xué)鏡筒而言,在其加工過程中有著非常高的精度要求,同時還有著較強的密封性和強度要求等,加工過程中應(yīng)用的鈦合金材料為TC4,屬于一種a+β鈦合金。林間加工過程中,通過數(shù)控銑削外形圓弧R42.5,119下端面減重腔、140右端面減重腔及密封槽、外形斜筋及減重腔。為更好的保證設(shè)計基準(zhǔn)以及工藝基準(zhǔn)和加工基準(zhǔn)存在的統(tǒng)一性,在Φ77圓柱以及140右端面中心點位置設(shè)置加工基準(zhǔn)。
(2)鈦合金的切削加工難點。①具有非常低的彈性模量,而且存在較大的彈性變形,與后刀面位置想接近處工件表面具有非常大的回彈量,因此后刀面和加工表面,都存在非常大的接觸面積,增加刀具的磨損程度。②導(dǎo)熱系數(shù)不高,需要很高的切削溫度。切削部位和刀具無法較常接觸,導(dǎo)致切削刃周圍一定區(qū)域上集聚很大的切削熱量,難以快速散去。③鈦合金具有非常高的硬度,塑性較低,加大了剪切角,前刀面與切削部位不能較長接觸,造成大的切削力存在于單位前刀上,極易引發(fā)崩刃。④加工過程中有明顯的硬化問題出現(xiàn)在材料表面。因鈦具有非常高的活性,能夠和大氣中很多物質(zhì)形成突出的化學(xué)反應(yīng),增加表層的硬度與脆性,尤其是高溫條件下加工過程中,會有氧化硬層出現(xiàn),加大局部應(yīng)力,使材料疲勞強度大幅降低,極易對刀具造成損壞。⑤存在非常突出的黏刀問題。切削過程中,刀具材料常常被切削表面層進行咬合,引發(fā)突出的黏刀問題,增加磨損程度。⑥加工斜面傾角過程中存在明顯的過切現(xiàn)象。通過高晶加工策略應(yīng)用之后,存在型腔中的一些角落,還有明顯的不光滑問題。倘若隨著型腔輪廓有一條刀路,那么這些角落會很光滑。圖1顯示斜率的部位出現(xiàn)刀路過切問題。⑦加工密封槽。密封槽的規(guī)格為深、寬分別為1.97mm、3.8mm,受槽寬影響,只能保持3.8mm的銑刀直徑。依照銑刀標(biāo)準(zhǔn),利用Φ3立銑刀進行切削。過去在進行切削過程中,主要通過0.5mm層銑法,將Z軸作間隙運動,依照XY軸方向進給刀具。因銑削過程中,在切削厚度上,各個刀齒都較小,由于切削厚度非常薄,取消過程中需要摩擦一段刀具,才可進行切削。
在徑向上刀具受切削力作用,極易導(dǎo)致刀具發(fā)生彎曲問題,對其使用壽命造成不利影響,特別是小直徑的刀具影響更為突出。折斷刀具過程中,受離心力的影響,在此位置會出現(xiàn)啃刀,對于密封槽的蜜蜂作用造成很大影響,極易引發(fā)零件報廢。
圖1 過切示意圖
(1)刀具的選擇。加工過程中,該刀具在耐磨性以及抗彎強度和耐熱性方面,與硬質(zhì)合金銑刀相比較弱,具體加工時需要進行讓刀,因此應(yīng)用細(xì)齒硬質(zhì)合金銑刀,為GC1030(HC)-S15材質(zhì),能夠很好的應(yīng)對抗塑性變形以及抗積屑性,加工表面質(zhì)量較高。
(2)切削參數(shù)的優(yōu)化。采用較低速度進行切削,能夠降低鱗刺和積屑瘤的出現(xiàn);進給量不大,使得表面粗糙度提高,有效控制彈性變形,然而因鈦合金材料常常發(fā)生氧化硬層,進給量如果不大,會造成刀具一直處于硬化層切削,使其磨損度進一步增強。通過大的背吃刀量,能夠有效控制這種現(xiàn)象發(fā)生,避免對刀具造成過大磨損,還能延長刀刃使用壽命。
(3)走刀方式的選擇。順銑過程中,因鈦合金較小的彈性模量,常常出現(xiàn)讓刀問題,所以應(yīng)當(dāng)進行光刀一次。順銑過程中走刀方向以及水平分力,在工作臺上相一致,因有間隙存在于絲杠和螺母間,能夠造成工作臺發(fā)生竄動問題,出現(xiàn)啃刀。然而數(shù)控加工中心螺母與絲杠沒有間隙存在,這更利于順銑走刀。
(4)切削液的配制。將水溶乳化液(不含氯)作為切削液體,不會對加工表面造成腐蝕,粗加工過程當(dāng)中,可以通過切削液,將切削過程中產(chǎn)生的熱量帶走,提高切削刃的強度,控制磨損發(fā)生,還有良好的冷卻作用。配制成5%的溶液,精加工過程中通過切削液,可以有效保證表面質(zhì)量,控制前刀面與切屑間產(chǎn)生的摩擦角,使得剪切角增大,并降低銑削力,起到良好的潤滑效果,配制為10%的濃度。
(5)密封槽的加工。鉆削式去除材料法是依照Z軸方向?qū)Φ毒哌M行進給,間運動沿著XY軸運動,對材料大量快速的進行去除,并能很好的保護刀具,增強其使用壽命,避免過多的成本投入。
①加工鈦合金材料過程中應(yīng)當(dāng)?shù)退龠M行,同時采用大吃刀量,所以控制進給量。利用高速鋼銑刀進行粗加工,利用PVD涂層硬質(zhì)合金銑刀進行精加工,保證效率與質(zhì)量的同時,有效控制成本。②經(jīng)計算獲知,斜面斜率情況引發(fā)球頭刀以及斜面切削點發(fā)生很大變化。③窄槽加工時,可以利用鉆削式去除材料法。