切削鈦合金與高壓冷卻技術(shù)

陳寒梅

【摘 要】延長刀具壽命、控制切屑成形、提高切削速度和工件表面質(zhì)量，用高壓冷卻技術(shù)可達(dá)到這一目的，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。

【關(guān)鍵詞】高壓冷卻 鈦合金 液氮冷卻

【中圖分類號】TG506【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）02-0198-01

鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐熱性高、低溫性能好、比重輕等優(yōu)良的綜合性能而廣泛應(yīng)用于航空和航天、機(jī)械電子、生物醫(yī)療等行業(yè)中。因此提高切削鈦合金材料的生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量愈來愈具有重要的意義。

一、鈦合金切削加工難度大

鈦合金具有高強(qiáng)度、高硬度和低密度特性，例如使用最廣泛的鈦合金Ti-6Al-4V（TC4）抗拉強(qiáng)度達(dá)900MPa，硬度為250？375HB，密度4.42 g/cm3，使得鈦合金整體結(jié)構(gòu)件在航空工業(yè)的應(yīng)用越來越多。因此，實現(xiàn)鈦合金結(jié)構(gòu)件高效、優(yōu)質(zhì)切削加工已成為航空制造生產(chǎn)之關(guān)鍵，和鋁合金相比，其切削加工的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下幾方面：

1、切削力大

切削力來源有兩個方面即變形和摩擦，一是切削層金屬、切屑和工件表面層金屬的彈性變形、塑性變形所產(chǎn)生的抗力；二是刀具與切屑、工件表面間的摩擦阻力。因此金屬材料的硬度和強(qiáng)度越高，其切削加工所需要的切削力就越大，切削溫度就越高，刀具磨損就越快，故相對可加工性也就越差。

2、切削溫度高

鈦合金具有很差的熱導(dǎo)率和較高的比熱容，無法通過切屑把切削熱從切削區(qū)傳送出去。切削加工過程中所產(chǎn)生的熱量大約有80%傳入到刀具中，切削點(diǎn)的溫度極高，可達(dá)1100～1200℃左右。因此，鈦合金切削過程中刀具切削點(diǎn)的高溫?zé)崃亢茈y由切屑快速帶走，加速了刀具磨損。

3、易發(fā)生冷硬現(xiàn)象

由于鈦的化學(xué)活性大，在高的切削溫度下，極易與空氣中的氧和氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成硬而脆的外皮，導(dǎo)致切削表面生成硬化層，其深度可達(dá)0. 1？0.15mm，致使表層硬度大幅度提高，加速了刀具磨損。

為提高鈦合金材料的切削效率和加工可靠性，獲得鈦合金構(gòu)件加工的最佳成果，要把高壓冷卻和刀具材料、涂層、幾何角度以及切削用量等要素的合理選用和設(shè)計結(jié)合起來。

二、采用高壓冷卻潤滑是解決鈦合金切削難題的一種有效措施

1、高壓冷卻的特點(diǎn)

在實際使用時，對切削刀具進(jìn)行有效冷卻和實施切屑的有效控制是前提條件，要求冷卻潤滑液有較高的壓力、足夠的流量、精確對準(zhǔn)切削刃和切屑之間接觸區(qū)。采用直接貫通主軸/刀具高壓冷卻系統(tǒng)，帶動多個外部噴嘴噴射的外噴式切削刀具，以保持主軸良好運(yùn)行性能，快速冷卻刀具、工件和沖排切屑，提高零件加工質(zhì)量，增加刀具使用壽命，提高加工的可靠性，有利于實現(xiàn)切削過程的自動化。

2、采用高壓冷卻的優(yōu)勢

2.1采用高壓冷卻可以改善斷屑

精確定向和并行0～100MPa高壓的冷卻劑高速射流，把切屑從轉(zhuǎn)位刀片表面上排除掉，可以起到冷卻和早期斷屑的作用，實現(xiàn)更佳的切屑控制。同時對切削刃的有效冷卻，降低了切削刃對熱波動的敏感性。

2.2采用高壓冷卻可以提高切削速度

加工鈦合金時，一般采用機(jī)械夾固可轉(zhuǎn)位片的刀具和整體硬質(zhì)合金刀具。與常規(guī)加工相比，采用高壓冷卻時，由于切削區(qū)溫度的降低，提高了刀具的耐用度，切削速度最多可提高200%。

2.3采用高壓冷卻可以提高表面質(zhì)量

表面質(zhì)量的波動是由于溫度變化和加工時產(chǎn)生的切削力的影響。傳統(tǒng)的冷卻方法對改善工件表面質(zhì)量有積極的影響，采用高壓冷卻更是極大影響最后精加工的結(jié)果.

3、采用高壓冷卻，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

3.1準(zhǔn)確地協(xié)調(diào)壓力、流量和噴嘴孔徑之間的關(guān)系

噴嘴孔徑大小應(yīng)選擇使其產(chǎn)生最高的壓力和可以最佳地利用冷卻潤滑液的流量。根據(jù)Sandvik公司的資料，例如，在刀具上使用1mm孔徑的噴嘴，為保持足夠的壓力，需要有5L/min的冷卻潤滑液流量。

3.2最大安全冷卻液工作壓力的確定

需要注意的是，冷卻液壓力不能超過刀具可承受的最大安全冷卻液工作壓力，工作時參考刀具生產(chǎn)廠家提供的刀具系列最大安全冷卻液壓力。

三、采用液氮冷卻是解決鈦合金切削難題的又一種有效措施

1、液氮冷卻的特點(diǎn)

液氮冷卻切削是使用低沸點(diǎn)（-196℃）介質(zhì)，在壓力作用下利用液氮特性將氮?dú)獍l(fā)生裝置所生成的氮?dú)庖砸旱问剿腿肭邢鼽c(diǎn)，代替大量油劑的切削方法。這種干式冷卻不僅能冷卻刀具、有助快速斷屑和延長刀具壽命外，還具有干切削加工所具有的眾多經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和生態(tài)效益。

2、采用液氮冷卻的優(yōu)勢

2.1保證精確的尺寸公差

利用冷液體可以去除切削過程中產(chǎn)生的熱，使加工中的工件保持恒溫。從而保證精確的尺寸公差。

2.2提高刀具的使用壽命

液態(tài)氮還將刀具保持在極冷狀態(tài)，低溫冷凍改變了陶瓷刀具的特征，使它們變得強(qiáng)度更高、硬度更高、韌性更大。

2.3改善加工表面質(zhì)量

冷的氮?dú)饪梢源憷涔ぜ?，提高工件表面硬度?/p>

3、采用液氮冷卻，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

3.1需要考慮在液態(tài)氮中懸置專用固體粒子，結(jié)合擊打刀具和工件的氣體的速度，這些粒子會破壞氣體分界層，液態(tài)氮通過可以調(diào)整其流速的噴嘴噴到刀具和工件上。

參考文獻(xiàn)

[1] 任開強(qiáng)，高強(qiáng)度鈦合金的高速銑削研究[D]， 南京航空航天大學(xué)南京航空航天大學(xué)碩士論文 ，2003

[2] 李登萬，陳洪濤 ，甘建水，等，鈦合金加工切削力試驗研究[J]，廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） ，2010（5）