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钛材的各种切削加工

(1)车削和镗孔


在合适的切削条件下,车削和镗孔并不是特别困难的工序。用高速钢或碳化钨合金刀具对钛及钛合金进行车削,可获得良好的切削性能。粗车削最好采用硬质合金刀具。硬质合金刀具对振动特别敏感,因此要求刚性好的夹具。高速钢刀最适合于成形切削、车槽或切断。对于连续切削、车削时使用易溶于水的润滑冷却溶液较好,如5%硝酸钠水溶液或1/20可溶性油乳状水溶液均可获得很好的效果。切削冷却液有助于冷却刀具和排除车屑。一般不进行干切削。

(2)刨削


对钛和钛合金进行刨削加工比车削加工困难,刨削是半行程不连续的切削加工,冲击性大,因冲击和振动而极易崩刀。刀具材料最好选用硬质合金YG8.当刨削纯钛和较软的钛合金时,也用高速钢刀具,其具体选择取决于装配刚度。

(3)铣削


在铣削过程的不连续切削中,刀具承受冲击载荷,刀具在每一转中只是部分处于铣削状态,使钛的粘接及刀齿的咬合,最终导致刀具的磨损或破碎。离开铣削件的转动刀具,残余车屑会紧紧地粘在刀齿上,并被带到下一个铣削行程,刚性固定及同向铣削能把这种现象减小到一定程度。因为用这种铣削方法产生的薄屑容易从齿上去掉,一般宜采用水为冷却液。冷却液以喷射为好,能降低铣削温度和把咬合降低到最小程度。

对于铣削量小的小零件和其他一些加工量小的工序,可以使用普通的高速钢铣刀。对于高速生产过程或去除金属量大的工序,如在进行平面铣及铣削板坯时,硬质合金刀则更为适用。在开始加工新工件时,总是使用适当的慢铣削速度,然后根据经验,再增加到更多的铣削速度。

(4)钻削


对钛和钛合金进行钻削加工比较困难,钻头一般用普通高速钢和硬质合金来制作。采用118°或90°的双顶角为好,因为它可以切断切屑,使之易于排除。而在钻削过程中及时排屑是非常重要的。如不及时排屑,将会发生钻头被卡、断裂、粘钻头等情况。

钻削温度高及压力大会增强钛的咬合作用,从而使刀具迅速磨损,并造成钻孔不圆、偏斜或孔周不平整。在随后攻螺纹可能会使螺丝攻断在孔中。要解决这些困难可以用短而锋利的钻头,在切削区浇以充足的冷却液、采用低速强制进给和用坚固的支架支承工件,在出口处要尤其注意,否则将形成毛刺。

处薄板外,厚工件可采用重载短型机用钻头。深孔钻削可以依次使用供油钻或一系列长度不同的短钻头。钻头在孔内应保持钻削状态而不允许在钻孔内空转。在整个钻削过程中,应保持低而恒定的钻削速度,定期清除钻屑,除非有足够的冷却剂柱流动时能把钻屑带走。钻通孔时需要细心,当孔快要钻通时,为了清理钻头和钻孔并除掉钻屑,通常最好退钻头。最终破孔时采用强进给,这样就可获得光滑孔。

(5)攻丝


这可能是最困难的工序。钛屑流动受限制及有严重的咬合倾向,能导致螺纹配合不合适,丝锥卡住或断裂。在攻丝完成时,钛倾向于紧缩在丝锥上。设计者不应当设计有盲孔或过长的通孔,在这两种情况下,钛屑的排出受到限制,因而会造成螺纹粗糙或断锥。允许放宽一些配合公差,或是通过把攻螺纹的要求长度降低到全螺纹的55%~65%,同时仅攻设计所允许的最少螺纹来减少这些困难。

攻丝设计往往可以用以下方法改进:采用交替漏齿的间断螺纹、磨去丝锥后缘、沿齿刃长度在齿顶磨制轴向的排屑沟和使用或是偏心或是同心的螺纹离隙。其他的改进建议有:螺旋角大到足以使钛屑沿丝锥前缘排出孔外;有足够大的后隙角,以防卡住,但也不能太大,以免退刀时产生跳动。表面经过氮化、氧化或镀镉处理的丝锥,在降低咬合及磨损方面被证明是成功的。

为了减小切削扭矩,必须采用低速攻丝,特别对强度较好的合金更是如此。在攻丝中,软膏型切削润滑剂的效果较好,硫化物矿物油冷却剂的效果也能令人满意,而可溶性油在攻丝中效果不佳。

(6)磨削


由于钛有充填砂轮的倾向,因而给钛的磨削带来了困难。磨削时,在金属与砂轮的界面上引起较高的温度,从而使研磨的表面产生较高的残余应力和不能获得令人满意的表面光洁度。采用以下的办法可基本解决这些困难:选择合适的砂轮;采用较低的砂轮速度及进给速度;用缓冲剂或切削液冷却剂冷却。

用碳化硅砂轮可得到最好的表面光洁度。使用这种砂轮的表面速度为700~1200m/min。采用中等的砂粒尺寸(60~80)、中等的硬度(J-M),合适的结构、陶瓷结合剂和氯化或硫化的切削油,就可获得良好的效果。钛的火星遇到油雾有可能引起火,若是用油全部浸没工件,可以减少这种危险。

氧化铝(铝氧粉或刚玉)砂轮必须在低速下使用,例如500~600m/min。对碳化硅砂轮所提的砂粒要求也适用于氧化铝砂轮。由于砂轮速度低,则产生的火花少,也就使起火危险性减少。防锈型的亚硝酸铵水溶液能完全消除起火的危险。无论使用什么类型的冷却剂,都要进行很好的过滤,以消除由于钛粒再循环造成的“鱼尾”状污斑。但是,即使用最佳磨削条件,零件疲劳性能也有恶化的危险。

磨削以后,应在含2%HF+10%HNO的水溶液中酸洗,以去掉最外层表面的污物。如果表面光洁度好,在以后的检查中将能发现有亮斑状过热区存在。即使没有发现表面受到影响,也不能绝对保证零件的疲劳性能没有下降。

(7)砂轮切割


当切削表面光洁度要求不是很重要时,采用砂轮切割法可以迅速而方便地切断直径从25mm到250mm的圆棒。使用的碳化硅砂轮,表面速度为2500~5000m/min,使用大流量的10%亚硝酸防锈溶液或使油悬浮液能保持低温,可防止金属燃烧和砂轮快速磨损。

(8)电化学蚀削


用铜、黄铜、不锈钢或铜-钨合金制成的常规电化学蚀削电极,适用于钛的电化学蚀削。电解液成分决定该方法的效率。已经发现,氯化钠为基的电解液对钛很有效。

金属的去除靠阳极溶解,因而工件不受排氢的影响。用这种方法加工钛时,不会有因吸氢而使塑性下降的危险。一般来说,电化学蚀削对力学性能影响很小,但和机械抛光法相比,疲劳性能略有降低。这是由于机械抛光时经常施于金属表面压应力,因而提高了抗拉强度,而电化学加工往往去除了应力层。

(9)化学蚀削

钛的化学蚀削由四个主要工序组成:清洗或表面准备;屏蔽;化学腐蚀;漂洗及去膜。

钛合金的表面清洗有两个目的:第一个是去除油、润滑脂及其他有机物污染;第二个是去除氧化物。去氧化层之前必须先去出油润滑脂,为了获得均匀的屏蔽,一般先用蒸汽除去润滑脂,随后用苛性钠溶液清洗。轻微氧化皮可用酸洗去除,而对后氧化皮可用喷砂及酸洗。

屏蔽需要用一种耐酸的涂层,以保护那些不应去除的金属部分。屏蔽采用浸入、喷涂或流体涂层技术。具体的方法选择视待加工件的形状和尺寸而定。人们发现用乙烯基聚合物或氯丁橡胶对钛进行屏蔽最为成功。屏蔽工件的图案一般是用样板帖在工件上,随后用特制刀具刻晒或切割屏蔽区,然后手工剥离以暴露需要腐蚀的区域。

一种良好的腐蚀剂应当能以预定的速度均匀地去除金属层,而对尺寸公差和力学性能没有不良影响。腐蚀液一般为含有氢氟酸的混合液,化学铣削的典型的产品公差为±0.002~±0.005mm。

完成蚀刻以后,应当彻底清洗工件,并用手工或合适的溶剂去除屏蔽物质。

(10)电火花加工


钛的电火花加工要求在工具与工件之间有一个操作间隙,间隙范围一般为0.05~0.4mm。较小的间隙一般用于要求表面光滑的精加工,而较大间隙则用于要求迅速去除金属的粗加工。

电极材料的选择取决于许多因素。对钛来说,用铜和锌电极得到的金属去除速度和减少工件或工具的磨损最为理想。但在实际生产中,一般使用的电极材料为黄铜、钨、铜或石墨。绝缘材料可以选用一种液态碳氢化合物。但这样会在工件表面上产生碳沾污,因此,也可考虑采用去离子水或一些不含碳的非电解质。

(11)锯


与大部分机加工操作一样,锯钛时,要采用低的切削速度和连续强制进料。实践证明,齿距为4.2~25.4mm的粗齿高速钢锯条最适合于锯钛。

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