机械制造技术——难加工材料与结构的加工技术（PPT 80页）

南京航空航天大学机电学院052系机械制造技术MechanicalManufacturingTechnology（切削原理与刀具：CuttingPrinciple&CuttingTools）第七章难加工材料与结构的加工技术南京航空航天大学机电学院052系本章内容10.1难加工材料与结构概述*（1学时）10.1.1难加工材料1）难加工材料的分类2）难加工材料的应用10.1.2难加工结构10.2难加工材料的加工技术（2学时）10.2.1钛合金加工10.2.2高温合金加工10.2.3不锈钢加工10.2.4高强度钢和超高强度钢的加工10.2.5复合材料加工10.2.6脆性材料加工10.3难加工结构的加工技术（1学时）10.3.1薄壁件加工10.3.2叶片及涡轮盘加工10.3.4阵列孔及微孔加工南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述1.定义：难加工材料是指难以进行切削加工的材料，即切削加工性差的材料。切削加工性等级代号5级以上的材料均属于难加工材料。从材料的物理力学性能看，硬度高于250HBS、强度σb0.98GPa、延伸率δ30％、冲击值ak9.8×105J/m2、导热系数k41.9W/（m℃）的均属难加工材料之列。2.主要内容：1）难加工材料1）难加工材料的分类2）难加工材料的应用2）难加工结构南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类1.钛合金2.高温合金3.不锈钢4.高强度钢与超高强度钢5.复合材料6.硬脆性材料南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类1.钛合金钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛，在882℃以上呈体心立方晶格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构特点，添加适当的合金元素（如表10.1.1所示），使其相变温度及相分含量改变而得到不同类型的钛合金。室温下，钛合金有3种基体组织，因此分为3类：1）α相钛合金（用TA表示）；2）β相钛合金（用TB表示）；3）α+β相钛合金（用TC表示）。其中最常用的是α钛合金和α+β钛合金，α钛合金切削加工性能最好，αβ钛合金次之，β钛合金最差。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类钛合金－性能（1）比强度高钛合金的密度在4.5×103kg/cm3左右，仅为钢的60％，（2）热强度高钛合金热稳定性好、高温强度高。在300～500℃下，其强度约比铝合金高10倍。（3）抗蚀性好钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性优于不锈钢南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类（4）低温性能好钛合金在低温和超低温下能保持力学性能。（5）化学活性大钛的化学活性大，与大气中的O2、N2、H2、CO、CO2、水蒸气、氨气等均产生剧烈的化学反应。（6）导热性差钛的导热系数低，约为Ni的1/4，Fe的1/5，Al的1/14（7）弹性模量小钛的弹性模量为107.8GPa，约为钢的1/2南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类2.高温合金1.定义：高温合金又称耐热合金或热强合金，它是多组元的复杂合金，以铁、镍、钴、钛等为基，能在600～1000℃的高温氧化环境及燃气腐蚀条件下工作，而且还可以在一定应力作用下长期工作，具有优良的热强性能、热稳定性能和热疲劳性能。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类2.高温合金分类：1）按合金基体元素种类来分，可分为铁基、镍基和钴基合金三类，目前使用的铁基合金含镍量高达25％～60％，这类铁基合金有时又称为铁镍基合金；2）根据合金强化类型不同，高温合金可分为固溶强化型合金和时效沉淀强化型合金，不同强化型的合金有不同的热处理制度；3）根据合金材料成形方式的不同，高温合金可分为变形合金、铸造合金和粉末冶金合金三类。此外，按使用特性，高温合金又可分为高强度合金、高屈服强度合金、抗松弛合金、低膨胀合金、抗热腐蚀合金等。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类3.不锈钢1.定义：不锈钢是指在大气中或在某些腐蚀性介质中具有一定耐腐蚀能力的钢种。2.种类：按其成分可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大类。按其内部组织结构可分为以下几类：（1）马氏体不锈钢含铬量为12％～17％，含碳量为0.1％～0.5。常用牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类（2）铁素体不锈钢含铬量16％～30％。常用牌号有0Cr13、1Cr14S、1Cr17、1Cr28、0Cr17Ti、1Cr17Ti、1Cr17Mo2Ti等。（3）奥氏体不锈钢合铬量为12％～25％，含镍量为7％～20％（或高于20％），常用牌号为1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9等。（4）奥氏体一铁素体不锈钢常用牌号有1Cr18Ni11Si、4AlTi等。（5）沉淀硬化型不锈钢常用牌号有0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cu17Ni7Al等。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类4.高强度钢与超高强度钢1）高强度和超高强度钢为具有一定合金含量的结构钢。它们的原始强度、硬度并不太高，但经过调质处理（一般为淬火和中温回火），可获得较高或很高的强度。通常把调质后σb1.2GPa、σs1GPa的钢称为高强度钢；把调质后σb1.5GPa、σs1.3GPa的钢称为超高强度钢。它们的硬度在35～50HRC之间。加工这两种钢时，粗加工一般在调质前进行，而精加工、半精加工及部分粗加工则在调质后进行。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类2）高强度钢一般为低合金钢，合金元素的总含量不超过60%，有Cr钢、Cr-Ni钢、Cr-Si钢、Cr-Mn钢、Cr-Mn-Si钢、Cr-Ni-Mo钢、Cr-Mo钢、Si-Mn钢等。超高强度钢视其合金量的不同，可分低合金超高强度钢、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类5.复合材料1.定义：复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质人工制成的多相组成固体材料，是由增强相和基体相复合而成的，并形成界面相。增强相主要是承载相，基体相主要是连接相，界面相的主要作用是传递载荷，三者的不同组分和不同复合工艺使复合材料具有不同的性能。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类2.性能：复合材料的优越性在于它的性能比其组成材料好得多，1）它可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥其优点；2）它可按构件结构和受力要求，给出预定的、分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计；3）可获得单一组成材料不具备的性能。3.种类：按其结构和功能，可把复合材料分为结构复合材料和功能复合材料。前者的研究和应用较多，发展很快。主要有两种，一是以聚合物为基体，其中以树脂（环氧树脂、酚醛树脂）为基体的居多；另一种是以金属或合金（铝及合金、高温合金、钛合金及镍基合金）或陶瓷为基体。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类6.硬脆性材料1.概述：硬脆性材料具有高强度、高硬度、高脆性、耐磨损和腐蚀、隔热、低密度和膨胀系数及化学稳定性好等特点，是一般金属材料无法比拟的。硬脆性材料由于这些独特性能而广泛应用光学、计算机、汽车、航空航天、化工、纺织、冶金、矿山、机械、能源和军事等领域。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类2.分类：1）硬脆性材料根据来源可分为自然和人工硬脆性材料；2）根据是否为金属可分为金属硬脆性材料和非金属硬脆性材料；3）根据能否导电可分为导电和非导电硬脆性材料；4）根据材料微观结构可分为晶体和非晶体硬脆性材料；南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－分类3.代表性材料：陶瓷和石材是其代表性材料。陶瓷是以粘土、长石和石英等天然原料，经粉碎—成形—烧结而成的烧结体。其主要成分是硅酸盐。石材包括天然大理石、花岗石及人工合成的大理石、水磨石等。随着科学技术的不断发展，硬脆性材料如各种光学玻璃、单晶硅、微晶玻璃及陶瓷等在航空航天及军用设备中应用的越来越广泛，而且对零件表面质量要求极高。然而，硬脆性材料具有低塑性、易脆性破坏、微裂纹以及引起工件表面层组织易破坏等缺点，使得硬脆性材料的加工十分困难。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－应用随着航空航天工业、核工业、兵器工业、化学工业、电子工业及现代机械工业的发展，对产品零部件材料的性能提出了各种各样的新的和特殊的要求。有的要在高温、高压力状态下工作，有的要耐腐蚀、耐磨损，有的要能绝缘，有的则需有高导电率。因此，难加工材料在这些工业中具有广泛的应用。（1）钛合金具有密度小、强度高、能耐各种酸、碱、海水、大气等介质的腐蚀等一系列优良的力学、物理性能，因此在航空、航天、核能、船舶、化工、冶金、医疗器械等工业中得到了越来越广泛的应用。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－应用1.钛合金记忆钛合金镜架钛合金刀具南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－应用2.高温合金低膨胀、恒弹性、高弹性高温合金精密合金高温合金不锈钢棒南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－应用3.不锈钢不锈钢阀门氙气驾驶辅助灯南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－应用4.高强度钢六缸汽车发动机汽车进气装置南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－应用5.复合材料碳纳米管－氧化铝纳米复相陶瓷热压氮化硼及其复合材料南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－应用6.硬脆性材料陶瓷刀具氧化铝陶瓷基片南京航空航天大学机电学院052系难加工材料与结构概述－难加工结构所谓难加工结构是指在常规机床上加工时精度难以保证或必须采用多轴联动才能加工出的结构，如薄壁、深（长）径比大的结构、复杂型面、微小微细结构及其它用常规方法难以加工的孔、槽等结构。难加工结构一般可分为外型面难加工结构和内型面难加工结构。外型面难加工结构件主要有：薄壁件、叶片、涡轮盘、微小微细零件外型面及其它特殊复杂的型面。内型面难加工结构主要有：蜂窝结构、阵列孔、有特殊要求的小孔、窄缝及其它特殊复杂的形腔结构。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料的加工技术1.钛合金加工2.高温合金加工3.不锈钢加工4.高强度钢和超高强度钢的加工5.复合材料加工6.脆性材料加工南京航空航天大学机电学院052系难加工材料的加工技术1.钛合金加工钛合金切屑形成过程大致可分为三个阶段，1）因受到前刀面的挤压，被切材料会产生弹性变形，在切屑前上方有时也可能出现微小的破裂面。2）进一步受到前刀面的挤压，于是在材料上方隆起一块材料。3）这块隆起的材料在与切削速度呈φ角度很窄的区域产生应力集中剪切变形。局部或全部断裂，形成节状切屑流出。图10.2.1为钛合金切屑形成阶段模型。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料的加工技术1.钛合金加工－方法钛合金的车削钛合金的铣削钛合金的磨削钛合金的高速切削钛合金的特种加工南京航空航天大学机电学院052系难加工材料的加工技术2.高温合金加工1.简介对于镍合金及钴合金等高温合金来说，耐高温的特性直接提高了加工难度。在加工时的大切削力和高温共同作用下，刀具产生碎片或变形，进而断裂。此外，此类合金会迅速产生加工硬化现象。工件在加工时产生的硬化表面会导致刀具切削刃在切深处产生缺口，并使工件产生不良应力，破坏加工零件的几何精度。由于高温合金的特殊性能使得它加工起来比较困难。南京航空航天大学机电学院052系难加工材料的加工技术2.加工性能（1）切削加工性差（2）切削变形大塑性很大，有的延伸率δ≥40％，其切削变形系数约为45钢的1.5倍。（3）加工硬化倾向大切削试验表明，vc越高，f越小，加工硬化越小。（4）切削力大切削高温合金