影响航天航空用材料切削加工性能因素分析及其改善的技术途径

《航天用特殊材料加工技术》课程大作业题目：影响航天航空用材料切削加工性能因素分析及其改善的技术途径姓名：______________学号:___授课教师：_______哈尔滨工业大学航空宇航制造系2012年11月日得分影响航天航空用材料切削加工性能因素分析及其改善的技术途径航空宇航新材料是新型航空航天器和先进导弹实现高性能、高可靠性和低成本的基础和保证。航天飞机的结构重量减轻1kg，其发射成本可降低15000美元。因此,在航天领域中,广泛选用具有特殊性能的新材料,如具有高比强度、高比刚度、尺寸稳定性好的先进复合材料,或重量轻、强度高耐热或抗低温、抗腐蚀和加工成型性好的高性能合金,以及一些特殊性能的功能材料。体现在飞行器上这些特殊材料主要包括如下几种：铝合金、超高强度钢、钛合金、复合材料、高温合金、陶瓷材料，以及一些特殊功能材料等。对于以上所提到的各种材料，有的要求在高温、高应力状态下工作，有的要求耐腐蚀，耐磨损，有的要求能绝缘，有的则需要高导电率。由于这些材料的特殊性，如高硬度、高强度、大塑性和大韧性、小塑性和高脆性、低导热性、有微观硬质点或硬质夹杂物、化学性能过于活泼等，使得这些材料在切削加工过程中切削力增大，切削温度升高，道具使用寿命缩短，有时还会是加工表面质量恶化，切削难以控制及处理，最终将使生产效率和加工质量下降。根据研究表明，影响材料切削加工性能的因素主要为如下几方面：1.被加工材料物理力学性能能的影响。2.被加工材料化学成分的影响。3.热处理状态及金相组织的影响。航天用特殊材料多属于难加工材料，其加工特点主要有如下表现：①刀具使用寿命短；②切削力大；③切削温度高；④加工表面粗糙，不易达到精度要求；⑤切削难以处理。为改善其切削加工性，一般有两个途径：1.采取是适当的热处理方法或改变材料的化学成分，改善材料本身的切削加工性；2.创造有利的加工条件，使得加工顺利进行，如选用良好性能的刀具材料和切削液，合理的选择刀具结构、几何参数和切削用量等。3.采用机械加工新技术新工艺，如高速与超高速切削技术，振动切削与磨削技术，加热辅助切削和低温切削技术，磁切削技术，真空或惰性气体保护及绝缘切削技术。下面以航天用钛合金为例，具体分析影响航天航空用材料切削加工性能因素分析及其改善的技术途径。钛合金切削性能的因素分析：作为航天领域不断兴起的材料钛合金外观近似于钢，呈银灰色，具有光泽，钛合金主要特点如下。1.比强度（强度/密度）高。常用的α+β型钛合金强度σb=1010~1177MPa，密度为4.5g/cm3，而合金钢的强度σb可达到1275~1569MPa，密度为7.9g/cm3。钛合金的比强度远大于其他金属结构材料，可制造出单位强度高、刚性好、质量轻的零部件。2.热强度高。钛合金的热稳定性好，高温强度高，在300~500℃下，其强度约比铝合金高10倍，工作温度可达500℃。常用的Ti6Al4V钛合金能在350℃下长期工作。3.抗蚀性好。钛合金在潮湿大气和海水介质中工作，其抗蚀性优于不锈钢，对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力很强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优越的抗腐蚀能力，是普通不锈钢的15倍。4.导热性差。钛的导热系数很低（λ=15.24W/（m·K）），约为镍的1/4，Fe的1/5，铝的1/14。各种钛合金的导热系数更低，一般约为钛的50%。5.弹性模量小。如钛合金TC4的弹性模量为110GPa，约为钢的l/2，故钛合金容易产生弹性变形。根据表1.6《被加工材料切削加工性分级表》，硬度高于250HBS、强度、伸长率、冲击韧性、导热系数者均属于难加工材料。对于钛合金。很明显属于难加工材料，其切削加工特点为：（1）切屑与前刀面接触面积小、刀尖应力大、温度高。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3~3/4，但由于钛合金切屑与刀具前刀面的接触面积更小，只有45钢的1/2~2/3，导致刀具承受的应力反而更大，是45钢的1.3~1.5倍，温度可为45钢的2倍，从而使得刀尖和切削刃容易磨损。（2）摩擦系数大。在相同条件下，钛合金材料与普通碳钢相比，其摩擦系数大，切屑流经前刀面时所作的摩擦功大，导致摩擦界面温度更高，使刀具易于磨损。（3）化学活性高。钛合金高温时化学活性很高，能与空气中的氧、氮和水蒸气等发生化学反应，在钛合金表面生成硬化层，导致工件硬度大幅度提高，同时降低了工件塑性并且使切屑与前刀面的接触长度进一步减少，导致刀具磨损加快。（4）热传导率低。钛合金的导热系数分别只有铁的1/5、铝的1/14，加之刀具与切屑的接触长度短，使得切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，导致刀具温度过高，加快了刀具的磨损。（5）弹性模量小。由于钛合金弹性模量小、屈强比大，使得工件的己加工表面在切削过程中极易产生回弹，容易造成刀具的后刀面磨损加剧和工件变形。钛合金切削性能改善途径：为有效地车削钛合金，针对其切削加工特点。有如下措施：(1)刀具材料。加工钛合金时,不宜使用YT类硬质合金刀片。因为:①YT类硬质合金刀片中含有钛,它会与被加工的钛合金发生亲和作用,粘掉刀尖。②车削钛合金时,车刀与切屑的接触远比加工钢时小得多,作用在车刀接触面积上的单位切削刀较大,由于YT类硬质合金刀片较脆,因此容易崩刃。一般生产中采用YG类刀片加工钛合金,尽管其耐磨性较差。通常在粗车和断续车削时采用YG8刀片,精车和连续车削时用YG3刀片,一般加工则用YG6X刀片。实践证明,含钽的硬质合金YA6(属于细颗粒钨钴类硬质合金)效果较好,由于加入了少量的稀有元素,提高了刀片耐磨性,代替了原有的YG6X,其抗弯强度、硬度也都比YG6X高。(2)刀具几何角度切削钛合金时,车刀后角α0是所有刀具参数中最敏感的，因为切削层下的金属弹性恢复大和加工硬度大，一般采用大后角可使刃口易于切入金属层，减小后刀面的磨损,但后角过小(小于15°)会出现金属的粘附现象；而后角过大，刀具将被削弱，刀刃容易崩碎。因此，大多数切削钛合金的车刀采用15°后角。从刀具耐用度来看,α0小于或大于15°,都会降低车刀的耐用度。此外，α0为15°的车刀刀刃比较锋利,并可降低切削温度。由于钛合金在切削过程中,会与空气中的氧、氢、氮等形成硬脆化合物,造成刀具磨损(主要发生在车刀前刀面上),因此应采用小值前角；此外，钛合金的塑性低，切屑与前刀面的接触面积小，为此也应选用小值前角,这样做可增加切屑与前刀面的接触面积,使切削热和切削压力不至于过分集中于刃口附近,既有利于散热,又加强刃口,避免因切削力集中而产生崩刃。因此,用硬质合金刀具加工(a+β)钛合金时,取前角γ0=5°左右并磨出倒棱f(宽度为0105～011mm),γf=0°～10°,刀尖磨成r=015mm小值圆弧,刃倾角λ=+3°。但是研究工作表明,车刀前角在28°～30°范围内时刀具的耐用度最好;刀尖圆弧半径增大也可以减少刀具的崩落现象。一般车削钛合金外圆车刀的几何参数:倒棱f=013～017mm,γf=0°,γ0=8°～10°,α0=15°,r=015mm,λ=0°,κr=45°,κ′r=15°。(3)切削用量用YG8刀片车削钛合金TA2时,切削参数的变化与切削温度变化的关系如下图所示。切削速度v与切削温度t的关系(YG8刀片车削钛合金TA2)由图可知,加工时切削温度t随着切削速度v的提高而急剧提高,加大走刀量f也使切削温度t增高,但其影响比提高速度的影响小。由于切削深度的变化对切削速度的影响较小,故图中没有绘出。加工时高的切削速度使切削刀具剧烈地磨损,并且使钛合金具有从周围大气中吸收氧和氢的能力,产生所谓“组织的α化”,并使加工表面强化。通常在选用切削速度和走刀量时,保持切削温度在800℃左右,即当走刀量f=0111～0135mm/r时,取切削速度v=40～60m/min。由于钛合金对应力集中很敏感,在有刮伤或凹痕时会严重地降低它的疲劳强度,因此钛合金零件表面质量的加工要求很高。走刀量对于表面质量影响很大。下图所示为加工钛合金TC6时走刀量与已加工表面表面粗糙度的关系。速度v=40m/min,切削深度ap=1mm,后刀面磨损h后≤011mm走刀量f与表面粗糙度的关系由图可知,为了要获得表面粗糙度Ra1.6μm,必须选择走刀量f=0.16mm/r;如果加工时分别采用走刀量f=0.125mm/r、0.135mm/r和0.145mm/r,则相应获得的加工表面粗糙度为Ra3.2μm、Ra6.3μm和Ra12.5μm(为了比较,图中还标出了加工合金结构钢30CrMnSi时走刀量与加工表面粗糙度的关系)。切削钛合金时,表面粗糙度与切削速度无关,切削深度的影响也很小,表面质量在同一表面粗糙度内变化。精加工钛合金时,为了得到Ra1.6μm的表面粗糙度,应采用YG类硬质合金刀片,研磨车刀的工作表面,取车刀几何参数为:γf=0°,γ0=10°,α0=15°,r=015mm;选择切削用量为:v=50～70mm/min,f=011～012mm/r,ap=013～110mm;刀具后面磨损h后≤013mm。通过加大刀尖圆弧半径r,减小走刀量f,降低刀具磨损h后0115mm,连续车削钛合金,可获得Ra=1125～018μm的表面粗糙度。根据以上所述，钛合金是典型的难加工材料，加工时刀-屑接触面积小、应力大、温度高，刀具粘结磨损、扩散磨损严重。刀具材料的合理选择是应对钛合金加工的首要问题，在生产中，钛合金加工参数的选择应该基于国内的材料、机床、管理、成本等条件进行合理优化。同样对于航天用特殊材料，由于其特殊的使用要求，其性能相比传统材料更具有特殊性，一般属于难加工、较难加工范畴。对于这样的材料，其影响切削加工性能因素以及改善切削加工的途径也可以参考钛合金，选择合适的刀具材料、刀具参数、切削参数以及切削液等。参考文献：【1】《钛合金切削加工技术研究进展》北京航空航天大学机械工程及自动化学院陈五一袁跃峰【2】《钛合金可切削性的研究及加工刀具设计》天津职业大学沈兴东张鑫【3】《航空航天用钛合金切削加工现状及发展趋势》沈阳理工大学机械工程学院吕杨【4】《航天用特殊材料加工技术》哈尔滨工业大学出版社韩荣第金远强