鑄鈦合金切削試驗及其在雷達底座加工中應用.pdf

1、1上海交通大學碩士學位論文第一章緒論第一章第一章緒論緒論1.1選題的意義與目的鈦合金的高比強度(強度密度)、良好的耐熱性、耐腐蝕性，在低溫狀態(tài)下仍然保持其良好性能，自從開始工業(yè)化生產(chǎn)后在航空、航天、體育、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的應用越來越廣泛，在飛機制造特別是軍用飛機制造中的比例呈上升趨勢。在航空制造領(lǐng)域，鈦合金的這些特性可以滿足飛機發(fā)動機、各類承重結(jié)構(gòu)件對輕質(zhì)、高強度、耐熱等材料屬性的需求。ZTC4（Ti6Al4V）是αβ型鈦合金的代表牌號。

2、鈦合金的高強度，低密度（鋼的60%左右）特性，使之對于其他金屬材料在比強度方面有很大的優(yōu)越性。這一特性推動了鈦合金在航空航天工業(yè)中的廣泛應用。鈦合金在具備優(yōu)秀特性的同時，其低導熱性以及小彈性模量使之成為典型難加工材料。彈性模量小，導致剛性差，加工時易變形，加工表面的回彈量大，切削時變形系數(shù)?。粚嵯禂?shù)低，使得切削區(qū)域溫度高，單位面積上的切削力大，加工硬化現(xiàn)象嚴重。刀具前刀面與切屑之間，以及后刀面與已加工表面之間易產(chǎn)生不同程度粘著、摩擦現(xiàn)

3、象，造成刀具磨損，使切削溫度、切削力升高，同時加工質(zhì)量下降，刀具成本高。這些都成為制約鈦合金加工效率和加工質(zhì)量的因素。鈦合金在航空航天等領(lǐng)域應用前景廣泛，但是同時受到了加工效率和加工成本的制約。目前生產(chǎn)中鈦合金切削加工效率還比較低，刀具廠家對高速鋼刀具切削鈦合金推薦的切削速度一般不超過30mmin；普遍采用的硬質(zhì)合金（包括不同涂層）刀具推薦的切削速度約在40－60mmin左右。同時刀具磨損嚴重，阻礙加工效率和加工質(zhì)量的提高，增加加工成本

4、，因此有必要對鈦合金切削加工性的規(guī)律進行研究。由于雷達產(chǎn)品總體功能的提高和改進，對于雷達結(jié)構(gòu)件如底座等零件，在一定強度和剛度前提下同時需要保證整機的總體尺寸，在設計制造中鈦合金成為取代鋁合金、不銹鋼等材料的必然選擇。但由于受到加工工藝的限制，國內(nèi)的雷達產(chǎn)品依然采用傳統(tǒng)的鋁合金作為其主要零部件的材料，很少使用鈦合金。因此生產(chǎn)中如何以保證產(chǎn)品質(zhì)量為前提，選用合理的刀具、提高加工效率，成為必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。因此，必然要求對鈦合金切削加工工藝

5、參數(shù)進行研究。對于底座等懸臂梁結(jié)構(gòu)的零件，當零件材料由鋁合金變換為鈦合金時，懸臂結(jié)3上海交通大學碩士學位論文第一章緒論91.4[6]；而GE公司也在20世紀80年代初期就開展了一系列的提高鈦合金切削加工效率的研究工作。近年來，伴隨著刀具、機床設備等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的突破性進展，鈦合金高效、高速切削的機理、應用性研究日益增多。一方面，力求在切削速度極限方面有所突破，另一方面，主要進行新型冷卻潤滑方式、新型刀具材料等方面的探索性研究，以尋求提高

6、鈦合金材料的切削加工效率。在切削速度與切削方式的試驗研究方面，Kitagawa等[7]利用K10硬質(zhì)合金刀具進行了銑削（31.4~628mmin）和斷續(xù)連續(xù)車削（30300mmin）的對比試驗，銑削時切削速度可高達628mmin，而連續(xù)車削時卻不能超過200mmin，斷續(xù)切削時的前刀面最大溫度比連續(xù)切削時的溫度低約15%。這說明了在高速銑削過程中，由于刀齒斷續(xù)的溫升、非切削間隔的冷卻以及螺旋角的存在等原因，使得高速銑削比高速車削更容易實

7、現(xiàn)。Gente與Hoffmeister[8]曾進行了高達6000mmin的超高速切削試驗，但是，該試驗主要是研究正交切削條件下的切屑形成。在新型刀具材料的試驗研究方面，Kuljanic等[9]應用PCD刀具高速銑削Ti6Al4V壓氣機葉片的濕式切削試驗，在110mmin的切削速度下刀具壽命可達281分鐘。Mi等[10]采用新型PCD刀具在高速切削鈦合金時也獲得了較好的切削效果。而BalkrishnaRao等[11]的研究結(jié)果表明，金剛石

8、刀具的磨損形式表現(xiàn)為剝落和溝槽磨損，并不能幫助實現(xiàn)較高的切削速度。Fitzsimmonsa等[12]采用CVD法在氮化硅等基體上沉積WCCo膜，并進行了15~150mmin范圍內(nèi)的Ti6Al4V鈦合金的車削刀具磨損試驗，結(jié)果表明：后刀面磨損主要由次表層的特性決定，溝槽磨損則由涂層的性能決定。HendrickNiemann等[13]采用非涂層及不同涂層（TiCNTiAlNTiAlNWCCTiAlYNVNZrNMoCrN）硬質(zhì)合金刀具，進行

9、了鈦合金的高速（250mmin）切削試驗，結(jié)果表明：刀具的失效主要體現(xiàn)在由切削深度決定的溝槽磨損上，而與切削速度、切削液壓力與流量、刀具涂層的類型關(guān)系不大，多數(shù)涂層刀具的應用結(jié)果同非涂層WCCo刀具相似。ShutingLei等[14]研究了可轉(zhuǎn)位刀具在Ti6Al4V鈦合金高速車削過程中的應用研究狀況，在高速切削狀態(tài)下，可轉(zhuǎn)位刀具的壽命比固定位刀具的壽命通常增長了37倍，有時高達64倍。此外，Z.G.Wang等[15]利用CBN刀具高速（