CN109158618A - 减小钛合金整体叶轮系零件切削表面硬化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种减小钛合金整体叶轮系零件切削表面硬化的方法，包括机床以及刀具材料、结构、表面和刀具组合体的选择要求，以及切削轨迹、加工余留量、切削参数和冷却润滑的选择设置。本发明通过对刀具材料、刀具结构形状及几何参数的选择、切削轨迹、粗、精加工余留量设置、切削参数的选用、冷却润滑方法等多方面的优化组合来实现，从而减小钛合金整体叶轮系零件的切削表面硬化。

Description

减小钛合金整体叶轮系零件切削表面硬化的方法

技术领域

本发明涉及钛合金整体叶轮切削加工的一种方法，特别是航空高端环控系统产品的钛合金整体叶轮零件在切削加工制造中减小钛合金整体叶轮系零件切削表面硬化的一种方法。

背景技术

整体钛合金叶轮作为透平(Turbine)机械的关键部件，广泛用于高性能环境控制系统设备，其制造质量直接影响其产品的综合性能及可靠性。为了满足产品高转速、高功效的技术要求，对其零件加工质量要求也越来越高。

由于钛合金材料的特殊性能，即：比强度高、抗蚀性优异、及密度低等，钛合金材料成为目前航空机载高性能环境控制系统部件中优先选用的结构材料。但由于钛合金热导率低、弹性模量低及硬度低、化学活性高等，导致钛合金的加工存在较大的难度。加工时常常出现以下情况：

1、钛合金材料的热导率低(约是45#钢的1/4～1/3)，阻碍了该材料系机械切削加工过程中所产生热量的迅速扩散。另外钛合金材料切削过程中摩擦系数比钢大，因此产生的切削热大、刀具各切削刀面的磨损加速，从而加速了刀具的磨损、加速该材料切削层表面硬化；

2、钛的弹性模量低，导致其在切削载荷作用下发生变形后产生极大的回弹，从而引起钛材料在切削加工过程中易产生切削系统弹让现象严重，夹具系统、刀具系统、刀具切削刃承受的切削应力大，一般是钢材料的1.5倍以上，切削表面硬化加剧。

3、钛的硬度较低、化学活性较高，导致加工时钛与刀具间易产生强烈的摩擦导致咬焊，尤其对于狭窄切削区域，加工条件更为恶劣。

4、钛合金材料切削表面的硬化很严重，尤其晶格畸变、滑移切削层表面硬化尤为严重，其材料切削表层硬度可达母体材料硬度2.6倍以上，切削表面硬化层厚度约0.089mm。

以上情况表明：钛合金材料易造成零件切削加工过程中硬化严重，刀具极易磨损，影响其表面加工质量、尺寸精度及形状精度，甚至不能满足性能要求。

发明内容

针对现有加工方法中存在的问题，本发明的目的是结合钛合金整体叶轮系零件，提供一种以最大程度的减小切削阻力、减小切削振动、降低切削温度，有效地减小切削刀具磨损并提高切削刀具的切削质量、减小切削层硬化的方法。

本发明的技术方案如下：

本发明包括对机床的选择，对刀具材料、刀具结构形状及几何参数的选择、切削轨迹、粗、精加工余留量设置、切削参数的选用、冷却润滑方法等多方面的优化组合。

1、设备的选择：选用具有良好动态性及稳定性的五轴切削加工中心机床。加工中心机床设备应设计合理，有足够的静态及动态刚性，较高的热稳定性，保证系统具有良好的动态品质，高速运动状态下运动质量恒定，长期稳定的连续高速加工，数控系统、机床电器所选伺服驱动系统精度高、全闭环控制系统、可靠性好，响应速度快。

1.1设备X、Y、Z、A、C各轴运动加速度ε≥3mm/秒²。

1.2机床设计制造应符合ISO国际标准。

1.3机床所有零部件和各种仪表的计量单位应全部采用国际单位(SI)标准。

1.4 X/Y/Z/A/C轴的重复定位精度≤零件精度1/4～1/5。(VDI/DGQ 3441-ISO230-2 norms)，机床位置精度验收标准采用VDI/3441。

1.5机床几何精度按中国金切机床通则JB2670-82(ISO230-1-96)执行。

2、刀具材料的选择：钛合金整体叶轮类结构的加工刀具需选择以微粒0.15μm～0.9μm硬质合金颗粒材料为基体的刀具作为钛合金切削刀具((即切削刀具的基体材料为微粒硬质合金颗粒，且颗粒的粒径范围在0.15μm～0.9μm))，保证刀具基体具有较好的刚性、强度及耐磨性。硬质合金刀具应符合ISO-513、GB/T2081-1987、GB/T16770.2-2008、GB/T16456.2-2008等标准。本发明中，切削刀具是指铣刀。

3、刀具结构的选择：刀具的几何参数选择要利于切入材料、结构形状尽可能提高强度。

3.1切削钛合金材料时，为了改善刀刃切削条件，降低切削温度、提高刀尖切削部位的强度、传散性及刀具寿命，粗、精铣加工刀尖角要有一定量的倒圆(0.1mm≤r≤10mm)。

3.2刀具刃数Z＝3～7刀刃。

3.3刀刃螺旋角β＝35°～60°，其目的是减小径向切削力，提高切削平稳性。

3.4刀具的长径比选择H≤8倍，刀杆采用R过度，二级或多级锥度变径刀具(或有阻尼性能刀具)，取2≤R≤300。降低刀刃切削部位切削振动，保持刀刃锋利以减少切削热。二级或多级变径处的锥度不一致(即二级或多级变径处的锥度必须不一致(刀体材料一致的情况下)，刀具多级变径处的锥度由切削端至夹持端逐级递增)，30°≥α≥1.2°，⊿α＝0.6°～30°。

4、刀具表面要求：刀具表面采用物理涂层(PVD涂层1μm～5μm)或无涂层刀具，无涂层刀具前刀面的粗糙度Ra＝0.8～0.05μm，以保证刀具的切削锋利性。

5、刀具组合体要求：

5.1减小切削刀具组合体的径向跳动A≤0.05mm、轴向跳动B≤0.055mm，提高切削平稳性，减小系统切削震动。

5.2刀具组合体动平衡≤6.3G，以提高切削平稳性，提高刀具耐用度。

6、合理优化切削轨迹：合理优化切削轨迹，采用顺铣的方式进行加工，尽可能的减小切削力及切削力的变化、减小切削滑移、减小切削震动，降低刀刃切削部位切削温度和钛合金材料表层切削硬化程度。

6.1圆弧插补刀轨切入、圆弧刀轨切出，其切入、切出圆弧半径C≥2mm。

6.2直线插补刀轨切入角δ≥91°。

6.3螺旋插补刀轨切入的螺旋角：1.5°≤γ≤9°。

7、粗、半精、精加工余留量设置：

7.1粗、半精加工时的加工余留量：0.3mm～20mm。

7.2半精、精加工时的加工余留量：0.098mm～10mm。

8、切削参数的选用原则：应从降低切削温度的观点出发，采用较低的切削速度和较大的进给量。刀具切削过程中刀尖温度保持在合适的温度，避免切削区域温度过高增大表面硬化程度。在铣削钛合金时，要求刀具每齿进给量Fz≥0.095mm，降低切削速度取U≤38m/min，以提高刀具的切削耐用度、减小切削刀具磨损。

9、冷却润滑方法：采用良好润滑性能和流动性能的切削液。冷却方式采用5MP～20MP高压内冷却，大量喷洒切削位置及切削刀刃，以避免刀刃与零件间产生咬焊和刀刃切削区域温差急变。

以下为本文中提到的字母的具体含义

r——刀尖圆角半径。

R——过度转接圆角半径。

α——铣刀的锥度。

⊿α——多级锥度差。

H——刀具的长径比。

A——径向跳动。

B——轴向跳动。

C——刀轨切入、切出圆弧半径(圆弧插补刀轨切入、圆弧刀轨切出)。

δ——直线插补刀轨切入角。

γ——螺旋插补刀轨切入的螺旋角。

ε——设备各轴运动加速度。

Fz——加工时刀具每齿进给量

U——切削速度。

Ra——粗糙度。

本发明实质上是一种五轴联动数控机床加工钛合金整体叶轮的方法，通过对刀具材料、刀具结构形状及几何参数的选择、切削轨迹、粗、精加工余留量设置、切削参数的选用、冷却润滑方法等多方面的优化组合来实现，从而减小钛合金整体叶轮系零件的切削表面硬化。

相比现有技术，本发明的优点体现在：本发明明确了铣削钛合金时的各种参数，将各种参数进行了优化组合。采用本发明的方法对钛合金叶轮零件叶片、流道、叶根铣削加工时，可实现该系零件的工艺提升，保证良好的产品质量、性能及设计要求，同时，提高了生产效率，保证了产品一次提交合格率。

附图说明

图1和图2是钛合金材料整体叶轮的示意图；

图3是加工图1中钛合金叶轮的立铣刀；

图4和图5是加工图1中钛合金叶轮的球头刀。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明进行进一步的说明。

加工如图1和图2所示某高性能钛合金叶轮，该叶轮的最大直径尺寸是 叶片根部直径加工最小流道宽度为12.958mm，叶片最大厚度2.93mm，零件材料为TC4。由于该材料加工时切削表面的硬化很严重，造成零件加工过程刀具磨损加剧，影响零件表面质量、尺寸精度及形状精度较差，甚至不能满足性能要求。为克服以上加工问题，采用本发明所述的方法进行加工。

1、设备的选择：选用具有良好动态性及稳定性的五轴切削加工中心机床。

1.1设备X、Y、Z、A、C各轴运功最小加速度ε＝3mm/秒²。

1.2机床设计制造应符合ISO国际标准。

1.3机床所有零部件和各种仪表的计量单位应全部采用国际单位(SI)标准。

1.4 X/Y/Z/A/C轴的重复定位精度＝零件精度1/6，(VDI/DGQ 3441-ISO 230-2norms)，机床位置精度验收标准采用VDI/3441。

1.5机床几何精度按中国金切机床通则JB2670-82(ISO230-1-96)执行。

2、刀具的选择：

2.1刀具材料的选择：整体叶轮系类结构的加工刀具选择以微粒0.2μm～0.4μm硬质合金颗粒材料为基体的钛合金材料切削刀具。

2.2采用无涂层刀具，前刀面的粗糙度Ra＝0.4μm

2.3立铣刀结构采用2～4级锥度变径刀具，锥度变径转接处修磨R，使之圆滑过度，R过度多级锥度时，凸R取5mm～10mm，凹R取15mm～50mm，以避免刀具在加工过程中应力集中而导致刀具断裂。

2.4对所使用刀具进行刀尖倒圆R0.3mm～R0.6mm，以增强刀尖的刚性及强度。

2.5刀具的长径比选择≤8倍。刀杆采用二级锥度变径刀具，一级锥度a1＝3°，二级锥度a2＝7°，两级锥度之差⊿α＝1°～5°，图中为4°。

2.6刀具刃数Z＝3刀刃。

2.7刀刃螺旋角β＝40°～55°。

如图3～图5所示，是两把符合上述要求的钛合金加工铣刀，其中图3是用于加工图1中钛合金叶轮的立铣刀；刀具刃数Z＝3刀刃，刀刃螺旋角β＝50°。图4和图5是加工图1中钛合金叶轮的球头刀：刀具刃数Z＝3刀刃，刀刃螺旋角β＝50°。

3、刀具组合要求：

3.1刀具组合体的径向跳动A≤0.015mm、轴向跳动B≤0.02mm。

3.2刀具组合体动平衡6.3G。

4、优化切削轨迹：

4.1走刀采用顺铣，圆弧插补刀轨切入、圆弧刀轨切出，其切入、切出圆弧半径C＝3～7mm。

4.2直线插补刀轨切入角δ＝91°～130°。

4.3螺旋插补刀轨切入的螺旋角γ＝2°～5°。

7、粗、精加工余留量设置：粗、精加工时的加工余留量0.25mm～0.3mm。

8、切削参数的选用：半精加工及精加工刀具进给量为Fz＝0.095mm～0.18mm，刀具切削速度为：U＝28m/min～35m/min。

9、冷却润滑方法：采用良好润滑性能和流动性能切削液。冷却方式采用7MP-9MP高压内冷却，大量喷洒切削位置及切削刀刃。

通过以上方法，降低了刀具切削过程中的切削振动、降低切削温度，减小了切削层硬化，保障了叶片形状完整，保证了其零件的尺寸、形状精度要求，减小了切削变形，生产质量大幅度提高。

Claims (3)

1.减小钛合金整体叶轮系零件切削表面硬化的方法，其特征在于：包括刀具材料、结构、表面和刀具组合体的选择要求，以及切削轨迹、加工余留量、切削参数和冷却润滑的选择设置；

所述刀具材料以0.15μm～0.9μm的微粒硬质合金颗粒材料为基体；

所述刀具的刀尖角倒圆，且刀尖圆角半径r的范围为0.1mm≤r≤10mm；

所述刀具的刃数Z＝3～7刀刃；

所述刀具的刀刃螺旋角β＝35°～60°；

所述刀具的长径比H≤8倍，刀杆采用过度转接圆角R过度，二级或多级锥度变径刀具，取2≤R≤300，且二级或多级变径处的锥度不一致，1.2°≤铣刀的锥度α≤30°，多级锥度差⊿α＝0.6°～30°；

所述刀具的表面无涂层或有一层物理涂层，无涂层刀具的前刀面的粗糙度Ra＝0.8～0.05μm；

所述刀具组合体的径向跳动A≤0.05mm、轴向跳动B≤0.055mm，动平衡≤6.3G；

所述切削轨迹采用顺铣的方式进行加工，圆弧插补刀轨切入、圆弧刀轨切出，其切入、切出圆弧半径C≥2mm；直线插补刀轨切入角δ≥91°，螺旋插补刀轨切入的螺旋角1.5°≤γ≤9°；

所述加工余留量标准为粗、半精加工时加工余留量：0.3mm～20mm，半精、精加工时加工余留量：0.098mm～10mm；

所述铣削参数中，加工时刀具每齿进给量Fz≥0.095mm，切削速度取U≤38m/min；

所述冷却润滑采用5MP～20MP高压内冷却，大量喷洒切削位置及切削刀刃。

2.根据权利要求1所述的减小钛合金整体叶轮系零件切削表面硬化的方法，其特征在于：还包括机床的选择，所述机床为五轴切削加工中心机床，X、Y、Z、A、C轴运动加速度ε≥3mm/秒²，X/Y/Z/A/C轴的重复定位精度≤零件精度1/4～1/5。

3.根据权利要求1所述的减小钛合金整体叶轮系零件切削表面硬化的方法，其特征在于：所述刀具表面的涂层为PVD涂层，厚度在1μm～5μm。