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航天军工用新型高强度钛合金切削刀具手艺研究

宣布时间：2024-01-16 10:14:22 浏览次数：

1、小序

钛合金具有比强度高、耐侵蚀性能和低温性能好及热强度高等优点，，，，，，，，是航空航天工业中普遍使用的质料[1]。。。。。。海内航空、航天及军工等行业已经开展了对钛合金质料高速铣削的研究和应用，，，，，，，，加工零件以结构件为主，，，，，，，，主要解决加工效率和刀具耐用度的问题[2]。。。。。。

钛合金棒

TB18钛合金是西部超导公司与海内高校、科研院所相助开发的一种新型近β钛合金，，，，，，，，其名义因素为Ti?5Al?5Mo?5V?6Cr?1Nb?0.5Fe，，，，，，，，经热处置惩罚后该合金的断裂韧性与古板高强度合金坚持统一水平，，，，，，，，但静强度更高，，，，，，，，同时具有优异的淬透性[3]。。。。。。该质料的特点是高强度（1300MPa）、高黏性和高韧性，，，，，，，，比常用的TC4、TC18、TC21质料的可加工性更差。。。。。。由于现在海内外缺少对该质料的加工刀具和切削手艺的针对性研究，，，，，，，，市场上暂无合适的加工TB18钛合金高效切削刀具，，，，，，，，严重制约TB18质料的加工效率。。。。。。

本文从TB18钛合金的铣削和钻削两类典范刀具出发，，，，，，，，开展刀具的结构选型和切削参数试验研究，，，，，，，，刷新刀具结构，，，，，，，，制订粗、精加工最优刀具选用计划，，，，，，，，并举行试验验证，，，，，，，，抵达提升TB18钛合金加工效率、提高刀具使用寿命的目的。。。。。。该研究为TB18新型钛合金质料的切削加工提供了一定的参考。。。。。。

2、TB18质料切削加工问题剖析

由于新型超高强度钛合金质料TB18的化学因素中金属元素Mo，，，，，，，，Cr，，，，，，，，V以及有数元素Nb的保存，，，，，，，，使TB18钛合金质料相关于常用TC4，，，，，，，，TC18，，，，，，，，TC21钛合金的可加工性能极差，，，，，，，，尤其在热处置惩罚后质料抗拉强度抵达σ_ｂ＝1315MPa时。。。。。。对TB18钛合金质料（热处置惩罚后）的切削性能开展研究，，，，，，，，凭证粗、精加工选取差别类型的通用钛合金刀具举行试验，，，，，，，，刀具的切削参数及刀具使用寿命见表1。。。。。。

与常用的TC4、TC18、TC21质料切削历程比照，，，，，，，，铣削、钻削TB18质料时主要面临的问题有：

①铣削加工刀具（可转位刀片式快进给、整硬合金铣刀等通用机械加工刀具）磨损快，，，，，，，，易倾圯，，，，，，，，刀具寿命极低。。。。。。一律切削条件下与加工常用钛合金的刀具寿命相比，，，，，，，，粗加工快进给铣刀片寿命缩短了50％～80％，，，，，，，，精加工致硬合金铣刀寿命缩短67％～83％。。。。。。经剖析，，，，，，，，刀具失效方法为月牙洼、积屑瘤导致的快速烧蚀和崩刃（见图1）。。。。。。

图１　TB18铣削加工的几种失效形式

②钻削加工时质料难以断屑（见图2），，，，，，，，刀具刃口切屑黏结且容易崩刃，，，，，，，，U钻（φ20mm）加工孔深90mm的内孔需要替换三次刀片才华完成，，，，，，，，刀片寿命短，，，，，，，，使用历程需频仍替换，，，，，，，，加工效率极低。。。。。。

图２　TB18钻削一直屑

③铣削加工效率更低。。。。。。粗加工快进给铣刀切削线速率为20～30m/min，，，，，，，，为常用钛合金加工刀具的30％，，，，，，，，进给速率150～400mm/min，，，，，，，，为常用钛合金加工刀具的25％～30％，，，，，，，，加工效率大幅降低，，，，，，，，精加工致硬合金铣刀的加工工艺参数也远低于通例钛合金刀具。。。。。。

通过试验发明，，，，，，，，导致加工TB18质料的种种刀具失效的主要形式为刀具快速磨损和烧蚀。。。。。。经起源剖析，，，，，，，，与通用钛合金相比，，，，，，，，TB18质料具有更高的黏性，，，，，，，，极易爆发切削热，，，，，，，，且由于加工历程未获得充分冷却，，，，，，，，加剧了刀具的黏结和烧蚀，，，，，，，，造成刀具失效。。。。。。

3、试验研究

3.1　试验计划

为了提高TB18质料的加工效率与刀具寿命，，，，，，，，针对差别的加工工况开展刀具选型试验，，，，，，，，以提高加工效率和刀具寿命为目的，，，，，，，，优化刀具结构，，，，，，，，并通过试验确定加工工艺参数。。。。。。

3.1.1　铣削工序粗加工

在使用大直径φ80mm、主偏角12°的快进给铣刀举行粗加工时，，，，，，，，做出以下刷新：①为提高刀片寿命，，，，，，，，降低切削刃与工件的接触面积，，，，，，，，将原有快进给刀具7°的主偏角增添为9°；；；；；；；②为解决质料高黏、刀具易烧蚀问题，，，，，，，，优选牌号2000Ti新型切削液，，，，，，，，减小铣削历程中的切削热；；；；；；；③为阻止切削抗力大造成毛料振动过高、刀片崩碎情形的爆发，，，，，，，，调解刀具轴向前角为11°，，，，，，，，径向前角为6.5°，，，，，，，，包管切削历程稳固。。。。。。

3.1.2　铣削工序精加工

以原先试验使用的φ25mm硬质合金立铣刀为例，，，，，，，，由于TB18钛合金的高强、高黏特征，，，，，，，，试验历程中极易爆发刀具振动以及大宗切削热，，，，，，，，为阻止刀具失效，，，，，，，，提高精加工效率，，，，，，，，本文对古板刀具举行结构刷新，，，，，，，，设计了密齿前波刃整体硬质合金铣刀（见图3）。。。。。。

图３　波刃刀具设计

详细刷新为：①通过公式F＝fz×N×Z可以看出，，，，，，，，在进给速率稳固的情形下，，，，，，，，增添齿数可以减小每齿进给量，，，，，，，，延伸刀具寿命，，，，，，，，因此将齿数从4齿更改为6齿；；；；；；；②为了增强断屑能力，，，，，，，，将前刀面变为前波刃刀具结构；；；；；；；③选择Ｃｏ含量为10％的整体硬质合金质料，，，，，，，，以平衡刀具的韧性和耐磨性；；；；；；；④选用AlTiＮ基多层涂层增添刀具的耐磨性；；；；；；；⑤设计多孔内冷结构，，，，，，，，增强冷却效果，，，，，，，，减小切削热。。。。。。

3.1.3　钻削加工

由于TB18钻孔时高黏、高强钛屑不易倾轧，，，，，，，，冷却无法实时抵达切削部位，，，，，，，，刀尖易烧伤崩齿，，，，，，，，甚至刀体断裂。。。。。。凭证上述加工特点，，，，，，，，以直径20mm为区分，，，，，，，，拟举行如下手艺选型和设计优化。。。。。。关于Ｄ≤20mm的孔加工：①接纳整体硬质合金钻头（见图4），，，，，，，，钻头接纳双刃带设计，，，，，，，，提高刀具的稳固性；；；；；；；②刀体排屑槽螺旋角接纳12°结构设计且齿槽抛光处置惩罚，，，，，，，，镌汰钛屑与刀体接触面，，，，，，，，降低摩擦，，，，，，，，减小切削热；；；；；；；③加大倒锥度为0.25/100，，，，，，，，减小钻头与孔壁的摩擦；；；；；；；④加大内冷孔，，，，，，，，提高冷却效果和排屑能力；；；；；；；⑤优选AlCrZr基涂层增添刀具的耐磨性。。。。。。

图４　整体硬质合金钻头设计

关于Ｄ＞20mm的孔加工：①接纳可转位U钻，，，，，，，，刀片接纳复合涂层，，，，，，，，增添刀片耐磨性；；；；；；；②配备12ｂａｒ以上冷却液压力，，，，，，，，提高切削冷却效果；；；；；；；③孔加工方法选用切削量逐层递减的切削方法，，，，，，，，前1/3孔深处加大每齿进给量，，，，，，，，提高加工效率，，，，，，，，后2/3接纳逐层递减，，，，，，，，提高耐磨性；；；；；；；④周边刀片和中心刀片接纳差别材质，，，，，，，，所用中心刀片能够实现逐步进刀方法，，，，，，，，抵达切削力匀称漫衍；；；；；；；周边刀片接纳Ｗｉｐｅｒ手艺，，，，，，，，以提高孔壁质量（见图5）。。。。。。

图５。。。。。。钻加工

3.2　试验效果

接纳快进给铣刀在5Ａ3Ｐ重型切削机床上举行铣削试验，，，，，，，，优化后的刀具可顺应更大的每齿进给量，，，，，，，，对切削加工参数举行优化后，，，，，，，，切削效率和刀具寿命均有所提升（见表2）。。。。。。优化后刀具的切削线速率可达40m/min，，，，，，，，刀具的断屑效果、切削力和振动等均获得显着改善（见表3）。。。。。。

优化后的硬质合金钻头寿命由原来的15min提升到60min，，，，，，，，孔壁比原先更平滑（见表4）。。。。。。优化后的U钻寿命从20min/把提升至50min/把，，，，，，，，是原先的

2.5倍，，，，，，，，孔壁更平滑（见表5）。。。。。。

3.3　比照剖析

通过试验前后数据比照，，，，，，，，优化后的TB18钛合金刀具加工效率及寿命均有所提升。。。。。。

效率提升：TB18钛合金粗铣快进给铣刀的金属去除率从32.6ｃm3/min提升至50.4ｃm3/min，，，，，，，，提升至原来的1.5倍；；；；；；；精铣硬质合金立铣刀切削线速率从26.3m/min提升至40.035m/min，，，，，，，，提升至原来的1.5倍。。。。。。

寿命提升：用于TB18质料粗铣的快进给铣刀刀具寿命从60min/把提升了90min/把，，，，，，，，提升了1.5倍；；；；；；；硬质合金铣刀的刀具寿命从30min/把提升了83min/把，，，，，，，，提升了2.8倍；；；；；；；硬质合金钻头寿命从15min提升至60min，，，，，，，，提升了4倍；；；；；；；U钻寿命从20min/把提升了50min/把，，，，，，，，提升了2.5倍。。。。。。

4、结语

通过刀具切削比照试验对新型钛合金TB18的切削性能举行研究，，，，，，，，剖析刀具的主要失效形式，，，，，，，，优化刷新刀具结构并合理选取切削参数，，，，，，，，得出以下主要结论。。。。。。

（1）与通用钛合金的切削加工相比，，，，，，，，TB18质料具有更高的黏性，，，，，，，，极易爆发切削热，，，，，，，，刀具失效的主要形式为刀具快速磨损和烧蚀。。。。。。

（2）对典范钻削、铣削刀具举行优化刷新，，，，，，，，经试验验证，，，，，，，，刷新后的刀具可有用降低切削历程中摩擦热的爆发，，，，，，，，刀具寿命提升显着。。。。。。

（3）为提高生产效率、降低加工本钱，，，，，，，，本文对切削参数举行优化。。。。。。试验效果批注，，，，，，，，优化后的切削参数可以使加工效率获得有用提升，，，，，，，，验证了切削参数优化计划的可行性，，，，，，，，为以后TB18质料的加工提供一定的参考。。。。。。

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