硅谷杂志：钛合金手表零件的车削加工 |
| 2012-11-06 13:42 作者：陈科锋 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月6日文】据《硅谷》杂志2012年第16期刊文称，钛合金以其特有的密度小、比强度高、抗腐蚀、蠕变能力好、耐热性高等特点，现被广泛应用于各领域，但钛合金又具有导热率低，弹性模量小，化学活性大等特点。导致其在加工时，切削率低，刀具磨损严重，可加工性差，属于典型的难加工材料。通过在数控机床上进行钛合金手表零件的切削，来探讨一下钛合金的可加工性。
0引言
钛合金凭着其优异的性能以及加工技术的逐渐成熟，近些年来已经从之前的军事、航天等领域向民用领域拓展，如：在体育用品、医疗器械、建筑等行业的应用。由于钛易于阳极化成各种颜色，这一特征也被广泛应用在珠宝、手表行业，据统计，2001年日本钛合金手表的销量占6%市场份额，在其他国家，钛手表的销量已占一半左右，因此有着极大的市场潜力。我们国家的钛资源丰富，但总的来看，对钛合金研究的多，应用的少的现象仍然严重，究其原因，与钛合金的高成本及加工技术和生产工艺的局限性有很大的关系。本文通过对钛合金手表零件的车削加工，来分析其可加工性能以及工艺参数。
1钛合金性能分析
1.1比强度高
钛合金的比强度（强度/密度）高，其密度约为4.5g/cm2，仅为钢的60%，而强度则超过了合金结构钢，因此可以制造强度高、刚性好、质轻的零件。
1.2高温和低温性能优良
钛合金在500°C时仍有很好的比强度，在低温下，其强度比常温时还有所增加，特别是在低温-253°C时，仍能保持良好的韧性。
1.3抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气中以及在海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢，而且对于点蚀、酸蚀抵抗力强。
1.4导热系数和弹性模量小
钛合金的导热系数约为钢的1/5，铝的1/4，弹性模量约为钢和不锈钢的1/2。
2钛合金加工性能分析
对金属进行切削加工时，切削层金属发生的弹性变形以及塑性变形所消耗的能量，98%都转换为切削热，在车削时，50%~86%的热量由切屑带走，10%~40%传入车刀，3%~9%传入工件，1%通过辐射传入空气中。钛合金的导热系数小，切屑带走的热量小，切削热都集中在切削区及切削刃附近，导致切削温度高，加剧了刀具磨损，影响加工精度。由于钛合金的变形系数小于或等于1，在车削时切屑会向上翻卷，切屑在刀具前刀面的滑动摩擦增大，使得刀具单位面积上的切削力增大。在显微镜下，可见到刀具磨损后形成的锯齿形切削刃。车削时在车刀产生的径向力作用下，切削产生弯曲变形，易引起震动，从而影响零件的加工质量。钛合金的化学活性大，车削时产生的高温易导致其和空气中的氧、氮、氢等气体发生反应，从而形成硬而脆的外皮，使得零件产生塑性变形，造成加工表面硬化，加剧了刀具的磨损。从切削时刀具的耐用度、零件的表面质量，以及排削散热等方面综合衡量，钛合金都属于难加工材料。
3切削改进措施
钛合金的上述加工性能，导致其加工效率低，工件质量差，刀具消耗大。经过多次的车削试验，从刀具材料、几何角度、切削参数等方面进行了改进，很好的解决上述问题。
3.1刀具材料
对钛合金加工刀具的选用，应从刀具的耐用度，以及如何提高零件表面质量和减少加工粘结等方面考虑，现如今在手表零件的车削加工中，广泛使用硬质合金做为刀具材料，硬质合金刀具具有高的耐磨性和红硬性，抗弯强度高，导热性能好，结合现手表零件的生产条件，选用YG6X硬质合金刀具，来作为钛合金的加工刀具。YG类硬质合金与钛合金的亲和力差，可以有效减少粘结，而且手表零件加工时的切削量不大，选用硬质合金刀具加工，可获得较高的表面粗糙度。
3.2刀具角度
进行钛合金切削，刀具必须锋利，这样可以减少加工变形，降低加工硬化，有利于提高零件的表面质量。传统的手表零件在进行车削时，统一使用0°的前角，但进行钛合金切削时发现，刃磨出较小的前角，可以减少切屑和前刀面的摩擦，改善了散热条件，并加强了车刀刃，使得切削变的轻快，因此选取前角γ0=3°~5°。钛合金加工时零件表面回弹大，采用大的后角可以减少零件和刀具的摩擦，使得刀具刃口锋利，并可有效减少粘结和撕裂现象，实际生产时发现，过大的后角会让刀具磨损加快，并降低了刀具耐用度，结合手表零件的加工特点及对于刀具刃磨的经验，选取刃磨后角α0=13°~15°。和传统的机械加工不同的是，手表零件在进行车削时，其外圆车刀同时又兼做各阶梯端面的加工，因此主偏角κr一般都取到90°，但为了减少切削时径向力对加工震动的影响，有利于加工时排削方便，选取主偏角κr=90~92°。一般情况下，车刀的副偏角κr`越小，越有利于零件加工表面质量的提高，但过小的副偏角也会加大车刀副后刀面和零件已加工表面之间的摩擦，不利于散热和消除加工震动，为了保证刀具的强度和重磨后的尺寸精度，选取副偏角κr`=3~5°。
3.3加工参数
钛合金加工的普遍原则是“大的进给量，大的切削深度，低的转速”。切削速度对于零件表面质量影响不大，但随着切削速度的提高，切削温度将显著上升，从而影响刀具的使用寿命。进给量对刀具寿命影响较小，但在大进给量切削时，金属的切除量增多，也会增加切削热的产生，生产时在保证加工质量的前提下，应努力提高零件的生产效率，因此可选择大的进给量。经过多次试切发现，当选用进给量f=0.003~0.005mm/min，并配合主轴转速在230~350r/min，并在大背吃刀量的切削状态下，可以取得较好的加工质量以及生产效率。当然加工时为了降低切削热的产生，提高刀具的寿命，在进行钛合金切削时，正确的使用切削液是必须的。一般来说，当切削速度小于30m/min时，选用油冷的方式进行降温，可获得较好的加工效果，而且采用油冷，可以减少硬质合金车刀骤冷性危险。有利于润滑和保护刀具，提高零件粗糙度。结合现手表零件车削的冷却方式，选用7号主轴油进行冷却。在实际生产时还应注意以下的两个问题：
1）在进行车刀的对中安装时，车刀刀尖应略低于工件的工作中心，否则容易扎刀。
2）由于钛合金的弹性模量小，加工时应调整好棒料在数控车床中心导套中的合理间隙，使的棒料与导套处于良好的滑动状态，可略松些。
4结论
钛合金的性能特点决定了其加工难度，在生产中采用低的转速，可降低刀具磨损，延长刀具使用寿命。选用小的切削量，可避免加工高温产生的零件变形、硬化。采用数控机床进行加工，其主轴回转精度高，刚性好。和传统机械加工相比，手表零件又有着其自身特点：“加工余量少、受力小、精度高”。通过选择正确的刀具材料、刃磨角度，合理的切削参数及加工工艺，对钛合金手表零件进行数控加工，可以获得良好的加工质量。
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