锯床技术

切削理论-钛和钛合金的切削

日期:2019-11-11 20:53:52


钛(Ti)和钛合金属于难加工材料。Ti的熔点为1668。C,它在室温下是密排六方结构的有弹性的金属,在882。C会转变为体心结构。商业纯钛根据其杂质含量C、N和O的含量不同而分成多个级别,杂质含量愈高,其强度和硬度愈高但弹性随之下降。


图1. 密排六方结构


图2. 体心立方

钛的切削从几个方面来讲其实与切削其他纯金属不同,严格意义上来讲,它不属于难加工材料。刀具的失效模式通常是侧面磨损或刀具变形。为了获得更长的刀具寿命,钛的切削效率通常比铁低,然而其切削力和能耗却比切铁、镍、甚至紫铜还低。尤其是在低速的情况下。见图3。


图3. 切钛、镍、铁的刀具切削力VS速度

其切削力小主要是由于切屑与前刀面的接触面积比切削其他纯金属时要小(锰除外)。由于接触面积很小,剪切角大,切屑薄,切屑厚度经常不会比进给深度厚多少,切屑形状连续但成片状。钛合金的片状切屑结构尤其明显,如下图所示,很窄的距离中就出现多个剪切分层的片。见图4.
图4。 切削钛时,快停实验之切屑形状

切削商业纯钛时,没有形成积屑瘤的现象,前角流屑区非常薄-通常只有 0.012mm,甚至比这还薄。

切削钛的主要问题是尽管其切削力小,但刀具寿命短,允许切削效率低。钛合金的传热系数低,导致刀具切削温度比切削铁要高得多而影响刀具寿命。见图5


图5. 高速钢刀具切削商业纯钛之前刀面温场分布

在90m/min速度,相同条件下切削铁时的最高温度为650摄氏度,而切削钛时,最高温度可达到900摄氏度。刀具切削钛的温场梯度如图5所示,与切铁(图6)和切镍(图7)相比,切钛的温度梯度比这两者高,高温区位置也不一样。



图6. 切低碳钢时的前刀面温度梯度分布


图7. 切纯镍时前刀面的温场分布

温场分布与切铁类似,但到刃口的冷却区特别窄,最高温的区域非常接近刃口。整个接触长度很短,热影响区没有在前刀面延伸太长距离。因此,虽然切削力低,但在前刀面的应力高,高应力区的刃口区域形成高温,这样造成刃口变形和刀具迅速失效,变形的和磨损的刃口又形成新的热源。最早失效的区域往往发生在刃尖。

切削钛的温度梯度变化与切削其他纯金属的类似,而与切削钢或者镍基合金不同。通常,合金成分的添加会增加任何设定切削参数下的切削温度,并减小允许的速度。切削商业纯钛时,填隙杂质碳、氮、氧的成分多少对切削难度的影响非常明显。在一系列的实验中,当将氧的含量从0.13%增加到0.20%,如果最高切削温度保持900。C不变的情况下,那么切削速度要从91m/min降到53m/min.

当合金包含第二相时,任何切削速度下的切削温度增加都非常显著。采用标准的实验条件,切削含量为6%Al, 4%V的钛合金,其切削速度在19m/min时前刀面的温度即超过了900度。当切削11%Sn, 2.25%Al, 4%Mo的钛合金,速度在12m/min时,高速钢刀具仅仅切了30秒钟即告失效。高速钢刀具失效不仅仅是因为高速钢刀具刃口发生变形,也因为由于高温下高速钢发生剪切变形而形成前刀面的火口(crater),平时可以在切削时观察到这些现象。

除变形外,扩散磨损也是高速钢刀具和硬质合金刀具切削钛和钛合金的主要磨损形式。WC-Co的硬质合金刀具比含TiC和TaC的硬质合金刀具寿命更长。虽然TiC的应用在切削钢时较好的抑制了扩散磨损,但在切削钛时,其作用则恰好相反。很明显,在切削钛时,含TiC立方相碳化物颗粒很快扩散到刀具表面的切屑中,比WC晶粒扩散要快得多。因此,采用WC-Co型的硬质合金刀头有利于在切削钛时抑制扩散磨损和刀具高温变形。即便这样,在切削抗蠕变能力更高的合金时,切削速度也仅仅只能达到30m/min左右.


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