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1、钛及钛合金机械加工2009年第9期(总第227期)vesNews钛及钛合金机械加工宝鸡钛业股份有限公司周友诚#矗奠毒舞苇#q葚一.:%奇臻罐端蕞嵇毒;t*幽钛及钛合金是一种新兴的生物金属工程材料,具有比重小,高比强,耐高温,耐腐蚀,超导性,无磁性,记忆性,生物相容性,不仅是航天航空兵器,舰船等军事工业中不可缺少的结构材料,而且在制药,医疗器械等部门中也广泛应用,特别是制造人工关节,人工股骨头,人工膝关节,人工全肱骨,人工腕关节,人工踝关节,人工椎体,人工骼骨,骨螺栓,骨接板等.口腔修复中有牙冠,冠钉,固定桥,烤瓷桥,粘结桥,义齿卡环,基托连接装置和加强装置义齿,所有金属部件,各医科的钛制手术器
2、械等.以上产品属于生命支持的一类器械,质量检查严格,机械加工较复杂.钛及钛合金是属于难切割加工材料,经过数道工序如人工股骨头生产过程如下:(1)下料一按工艺运用靠模,在砂轮切割机下断料.(2)初锻一采用自由锻,喷油炉加热温度85O980,在40kg空气锺上锻打成型.(3)砂磨选材质为氧化铝磨料,粒度366o中硬砂轮加工磨去锋棱,锐角和表面微裂纹,切除氧化皮.(4)模锻一毛坯加湿800C一960C,模具加湿2o0cI=250利用300T400T摩擦压力机械锻加工,产品在模具中模锻成型.(5)红切边一连续作业,工件在750C850cI=时把成型毛坯在相应吨位冲床上,立即放人切边模内冲切,切除四周废
3、边.(6)热整形一将锻件加热到600一800oC要800T精压机上校正.(7)磨加工一按图加工,磨球头和斜面氧化层,柄部平面,平直,倒锐角.(8)钻削首先用硬质合金钢,钻氧化层然后用普通高速钢钻(手动)钻出孔,再正反面钻孔,加工时用防锈乳化液冷却.(9)钳加工锉平,修毛刺整理.(1O)粗车削选YG8或XG6X车刀车削,粗削外圆,留0.4mm余量用防锈乳化液冷却.(11)精磨一磨蛋形斜面,与颈部平滑过程连接,不能碰球头.(12)精车一应用专用夹具,校准加工件,采用圆球专用车具,精车圆球.(13)抛光一采用无铁介质,按工艺规程加工,达到相应表面粗糙度要求.(14)清洗一去脂,漂洗和干燥,去除抛光后
4、油泥和其他附着物,保持工件光洁干净.(15)打标记按不同规格,相应打上钢印标记.(16)喷陶瓷一(外加工)在柄部喷陶瓷.(17)精抛一球头抛光,达到镜面精度.(18)检验一表面一般要求,用倍率放大镜检查,表面裂纹采用VCS着色渗透法擦伤,内部质量采用x射线探伤粗糙度,用电测法测定.(19)包装一用精制塑料包装盒包装,内垫绒布海绵.目前应用外科植入用的钛及钛合金材料有:纯钛,金属牌号为TA1,TA2,TA3,TA4钛合金化学成份Ti一6AI一4V牌号为TC4钛合金化学成份Ti一6AI一7ND含铌合金钛合金化学成份Ti一5AI一2.5FE合金加材钛合金化学成份Til5MO在人造骨关节所选的工艺真空
5、熔炼精密锻造,真空精密铸造和粉末冶金等,由钛及钛合金再熔炼,必须在真空或隋性气体保护下进行熔炼和铸造.一般在外科植人用钛及钛合金进行多次熔炼和锻造的产品,必须严格检查外部表面,常常有氧化皮,裂纹,凹坑,折叠等缺陷.根据不同标准规定进行适当的处理以免影响锻造时质量,对于锻造工序结束的锻件如棒材需要锯切掉头尾,还要打磨掉毛刺,有些锻件还要进行扒皮,校正或者酸碱洗以取掉表面氧化皮.由于工艺严格,需要通过精整方法,化学分析,机械性能试验,外观检验,金相分析和x射线探伤等复杂检查,才能判断质量的好坏.精整工艺对于保证锻件质量是不可少的工序?8?2009年第9期(总第227期)根据不同的要求可经如下处理:
6、去氧化皮,酸洗,喷砂化学铣磨削,机/Jn-r,剥皮,抛光.精整方法主要有以下几种:一,打磨打磨的目的主要是为了清理掉各种裂纹,凹坑及折叠,锻件应无开裂,裂纹,裂痕方面的缺陷.打磨的设备有悬式砂轮机,落地式砂轮机,手提砂轮切割机等可在磨棒上进行清理.根据来料选择砂轮,一般对于半成品修磨采用粒度号小的砂轮,对于成品材选用大号60#以上砂轮.材质为氧化铝磨料,磨去锋棱,锐角和表面微裂纹切除氧化皮.修磨裂纹时,砂轮应置于垂直裂纹的方向以免修磨方向与裂纹方向一致时将裂纹掩盖导致修磨不净.在修磨缺陷时砂轮应经常移动,不得在一处停留时问过长,用力过大以防止金属局部热氧化,修磨后的表面不得出现蓝,黑色,不得出
7、现陡阶和凹台.并适当降低砂轮速度,边加工边用防锈液高压冷却,降低切削温度,提高表面质量减少刀具磨损.二,锯切锯切也是钛及钛合金锻造生产件一道重要的辅助工序.锯切主要用于锻造坯料的中棒,成品棒材头尾的去除.锯切所用设备有:圆盘锯,弓型锯,砂轮切割机,车床,线切割机,等离子切割机,激光切割,气体切割,电焊切割,电子束切割等.三,钛合金的机械加工钛合金与难切削材料,切削工具的成本很高,钛合金在切削时,对于有裂纹以及除掉表面氧化皮的棒料需要进行无损探伤并在车床上剥皮处理.钛合金在切削时,温度一般比45号钢高一倍,在高温状态下钛容易和大气中氧,氮形成硬而脆的氧化层,而且在锻压和冲压中由于表面气体沾污形成
8、原有硬化层,表面非常坚硬加上钛合金的塑性变形,所以是难加工材料,切削力不大,刀具易磨损.实践证明,在车削时按表l选择,用YG6硬质合金车刀,应用活络顶针,当切削深度取lmm进给量约0.1mm/转时,切削速度60m/min左右比较适宜,加工中用防锈乳化液高压冷却降低切削温度来提高表面质量.钛及钛合金属于难切削加工材料,影响钛合金切削加工性主要因素有:.9.表1车削加工参数车削速度车削走刀量名称刀具光洁度(分)深度(毫转)YG8O.15粗车削202523YG60.40YG8O.1O.O6精车削307O56YG60.50.20(1)气体杂质的影响棒材中的氧,氢,氮等对钛合金的切削加工性有很大的影响,
9、并随着这些气体在钛合金中含量的增加,而使切削/Jn-r中钛的化学活性高,使它很容易与接触的介质起反应,并随着温度的升高而加强.即使出现氧化皮的同时,氧还向钛中扩散,当温度在同素异构转变温度以上时,氧向钛中扩散特别强烈,以致形成脆化层,其厚度随时间延长而增加,这就使钛合金的塑性降低,硬度提高.钛中含量愈多愈严重.在钛中随温度的提高,氢扩散极其强烈,并形成间隙固溶体产生氢脆性.氧在室温下对钛没有影响,高温时氮和钛强裂化合,生成硬而脆的氮化钛(TiN).在钛合金中的杂质(O:,N,H),能使钛合金脆化.在锻造/jn-r中,由于表面气体的污染也会形成硬化层,所以这些将使钛合金的切削加工性能恶化.(2)
10、物理机械性的影响从钛合金的机械性能可知,钛合金塑性较低,切削时塑性变形也小.这种小的塑性变形将造成切屑经去切削刃后,立即向上卷曲,使切屑与刃前面的接触长度极短,大约只有切削钢时的1/31/4.由于不在刃部造成积屑,故切削热不易传出.集中在切削刃附近的很小范围内,同时又由于钛合金的导热性很差.导热性只相当于45#钢的1/51/7,因此使切削温度很高,刀刃磨损很快,使切削加工性恶化.(3)含碳量和加工硬化的影响钛合金切削还和含碳量的多少有关,当含碳量>0.2%时,会形成硬的碳化物,使切削加工性下降,当含碳量<0.2%时,切削加工性得到改善.造成钛合金加工困难的重要原因就是加工硬化.严重
11、硬化的原因是切削过程中的塑性变形,另一个是在高的切削温度下,钛很容易吸收大气中的氢和氮形成硬而脆的外皮.在正常切削条件下硬化深度为0.10.5毫米,硬化程度为20%30%.加工硬化会降低零件的疲劳强度,加剧刀刃的磨损,给#譬#2009年第9期(总第227期)以后的加工带来困难.钛合金的抗腐蚀性优于不锈钢,作为零部件重量减轻的重要指标的比强度(强度与密度之比)也高于铁和铝金属.一般情况下广泛使用的钛合金Ti一6AI一4V,在室温下硬而脆难以进行冷间锻造,因此多采用切削加工法来生产.四,钛及钛合金的切削加工钛合金切削属于难切削材料之一,切削加工的特点是:(1)切削变形小.切削过程中,在高的切削温度
12、下,化学亲合性很强的钛易与大气中的氧,氮等元素化合,从而使表面塑性降低脆性增加,因而使切削变形较小.(2)切削温度高.切削钛合金时,与切削普通钢相比,其切削变形系数小,产生的热量比较小,比切削45撑钢切削温度低.当切削速度为40分时,钛合金切削温度高的原因,是钛的导热性差,其导热系数为45#钢的1/51/7.其次,切削钛合金时,由于刃前钛屑积聚少,故带走热量少,这是产生高温的另一原因.(3)切削力不大.当切削钛合金时,其塑性变化较小,因而切削力不大.切削钛合金时主切削力比切钢时平均小20%,但径向切削力和轴向切削力比切削钢时要大些.切削钛合金时,切削分力与轴向切削力的加大,说明作用于刀具面上的
13、力要比切削钢时大些,这将对切削产生较大的影响,因为钛合金的弹性模数较小.大约相当钢的1/2,因此工件容易产生塑性变形,引起振动,并加速刀具的磨损和影响零件精度,因此加工钛合金时要求用高刚性车床.加工钛合金时,选择磨损限度要考虑硬化,表面光洁度,耐用性,特别重要的是要考虑力的因素.一般用硬质合金车刀精车和半精车时,限度以VB0.4毫米.(4)加工硬化严重加工钛合金时,一个重要的特点是加工硬化严重.其原因是由于切削过程中的塑性形成及切削温度下空气中介质的作用而生成的硬化皮.在所有工艺因素中,影响硬化深度和硬化程度是刀具磨损.(5)刀具易磨损加工钛合金时刀具易磨损,原因是机械磨损,在粗加工时比较显着
14、.因为毛坯经锻造加工后存碳,钛,钴粘结在一起,工件表面运动及切屑流出时带走刀具质点,从而造成粘结磨损.车削钛合金时,刀具的磨损不仅发生在后刀面上,而且也发生在前刀面上,有时前刀面上磨损比后刀面上磨损更为严重.这是因为切屑与前刀面接触面积小,单位压力大,切削温度高切屑与刀具粘结,再加之切屑变形系数小,切屑在前刀面上滑移速度高的缘故.五,刀具材料和切削用量的选择加工钛合金时,最适合的材料是钨钴类硬质合金.在相同的切削条件下,钨钴类(YG)硬质合金的耐用度比钨钛钴(YT)类高.()类硬质合金中含钛,在高温下容易与锻件中的钛发生亲和作用,造成粘结磨损.而(YG)类硬质合金中由于不含钛,因而粘结力小,使
15、粘结磨损少,因为钛合金导热性差,因而应当采用导热性好的材料做刀具.(YG)比(YT)导热系数高22.5倍,散热条件较好.切削钛合金时,作用在刀具接触面上的单位压力较大,因而应选用抗弯强度比较高的(YG)类硬质合金,以防止崩刃.粗车时,一般选用YG8及YW4,半精车和精车时选择YG4,YG6,YG6X效果较好,在断续切削中可选用高速钢和高钻高速钢.切削用量选择应从切削温度的观点出发,因为高的切削温度将会因吸氧而形成硬化层,使工件表面硬而脆,使刀具磨损剧烈.在切削钛合金时,为使切削温度合适,一般选用较低的速度,较大的切削深度和进给量.表2钛合金最佳切削速度ap(mm)1230.1,0.15,0.1
16、,0.15,f(mm/转)0.1,0.2,0.30.2,0.30.2,0.3v(分)65,52,43,3649,40342844,30,26切削用量中最主要的选择是切削速度,因为切削速度对刀具耐用度的影响最大.用YG6X切削TCA合金时,当取a=l毫米,f=0.1毫转时最佳切削速度v=60分.当进给量和切削深度改?10?强切材素一一一一一一一删一一一一彻彻昭肋加师揶捌戤esNews装2009年第9期(总第227期)变时,最佳切削速度可按表2选样.进给量对刀具耐用度的影响较小,因此在保证表面光洁度的条件下,可选取较大进给量一般取表2中0.10.3毫米/转.应该指出的进给量不能选的太小.因为进给量
17、太小,不仅使刀刃在硬化层内切削,加剧刀刃磨损,而且太薄的切屑在高的切削温度下会引起自燃,因而不允许进给量小于0.05毫转.表3车外圆(车外皮)时切削用量进给量不同切削速度(mm)下的切削速度(分)mrn/分l234O.O853.851.65O.549.50.1504846.7460.1544.24241.240.50.240.53937.537O.253836.535.635O.33634.433.533切削深度对刀刃耐用度的影响最小,因此一般可选取较大的切削深度.这样不仅刀尖在硬化层以外切削,减少刀具磨损,而且还可以增加切削刃工作长度,有利于散热,一般取16毫米.表4干法与湿法车削参数的比较
18、刀具高速钢刀硬质合金刀冷却方法干法湿法干法湿法切削速度1015202530354055(分)进给量0.1O.20.10.25O.10.2).10.25(毫转)六,冷却润滑液的选用切削钛合金时,由于切削温度高,因而进行充分冷却润滑降低切削温度,提高加工表面质量和刀具耐用度均有显着效果.车削钛合金时,采用提高抗粘着性的新型润滑膜的润滑方法,可以采用防锈乳化液和极压乳化液,用高压冷却法效果更好.附录:铣削工艺吃刀深度铣削速度走刀量牌号(mm)(m/分)(ram/转)TA1TA2,5744630.3O.7TA3刨削工艺吃刀深度铣削速度走刀量牌号(mm)(rn/分)(ram/转)TA26712l8O.2
19、51.OTA3钻孔工艺(孔径mrl1)一6小714,1,1530牌号走刀量钻速走刀量钻速走刀量钻速(ram/转)(m/分)(ram/转)(n1/分)(ram/转)(nl/分)O.O312O.0520.0.120TA10.05240.15300.230TA20.07100.10一180.1518TA3O.0924O.1524O.3024钻深孔工艺孔径(mm)走刀量(ram/转)钻速(m/分)3066O.031.O5060(上接第28页)超硬材料制品的研究与开发,就是因为他们深知:材料发展的目的在于运用,而运用的效果及材料的发展取决于制品.通过他们的辛勤努力,已在电子,汽车,工具等行业打破了国外的垄断,为引领我国超硬材料制品追赶世界先进水平做出了不可磨灭的贡献.中国超硬材料工业的发展已走过46年的历程,郑州三磨研究所用心血和智慧与其相伴成长.而今迈步从头越,新的目标昭示着郑州三磨研究所在追求自我发展的同时,必将继续与全国的同行携手并进,攻坚克难,为早日实现超硬材料强国目标续写新的篇章!(郑州三磨所张歌旗).11.#