CN112756672A

CN112756672A - 低温冷风钛合金加工方法

Info

Publication number: CN112756672A
Application number: CN202011581247.9A
Authority: CN
Inventors: 袁松梅; 邵梦博; 陈博川
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-05-07

Abstract

本发明涉及低温冷风钛合金加工方法。低温冷风喷射系统调试：启动低温冷风喷射系统，在喷嘴7处测量冷风出口的温度，得到其冷风出口温度信息，确保出口温度在‑45℃‑0℃之间，保证冷风与室温有25℃‑70℃的温差；将低温冷风喷射系统安装在机床上，喷嘴对准刀具前刀面，并与刀尖保持10‑15mm的距离；完成钛合金工件装夹，设置切削参数：机床转速3000‑6000r/min，切削深度a_p＝0.1～1mm，进给量f＝0.05～0.5mm/r；完成工件切削。本发明有效的降低切削温度，控制刀具磨损，提高刀具寿命，降低加工成本，减少环境污染。

Description

低温冷风钛合金加工方法

技术领域

本发明属于加工类技术，特别是涉及低温冷风钛合金加工方法。

背景技术

铁合金因其具有高强度比、低密度、耐高温、耐腐蚀等优点而被广泛应用于航空航天、海洋工程、生物医学及汽车工业等行业。近年来随着科学技术的进步和工业的发展，对钛合金零件的加工精度要求越来越高。然而，钛合金材料具有低热导率、低弹性模量、髙温下高强度等材料属性，使得在切削钛合金过程中通常伴随着较高的切削温度以及极快的刀具磨损，因此对钛合金的切削加工一直是工业中的一大难题。目前在钛合金加工过程中，为保证钛合金的加工精度，普遍采用浇注切削液的方式控制切削区域温度，减少刀具与工件摩擦，从而保证钛合金零件尺寸精度，控制刀具磨损，提高刀具寿命。

1.传统浇注式切削

浇注式切削是将大量乳化液等直接浇注到切削区进行冷却润滑，其主要依靠液体-固体接触的对流换热方式及水在刀具及工件表面蒸发来降低刀具和工件温度，该技术优点在于可以抑制钛屑高温燃烧，降低工件温度保证零件加工形位精度，其缺点在于对刀尖高温区热冲击非常严重，会造成热裂纹、刀具崩刃等问题。钛合金铣削加工中切削温度可达1000℃以上，在刀尖切出工件到切入工件这一过程中，大量切削液使刀尖从的高温状态急冷到较低温度，瞬间的冷热变化产生的热应力会使硬质合金刀具内部结构产生缺陷，出现热裂纹、微崩刃等情况，在刀尖切入工件后在机械应力及重新产生的热应力的作用下演变为刀具快速磨损，破损，崩刃等。此外，水基切削液粘度低，润滑性不好，吸附能力同样较差，在铣刀快速旋转过程中留存较少。由于水基切削液沸点约为100℃，水在刀具及切屑表面还存在膜态沸腾效应，更加限制了切削液在切削过程中对工况最恶劣的刀尖区域进行的渗透及降温。同时大量切削液的使用不仅造成了资源的浪费，生产效率低等问题，还会对环境产生很大的危害。

2.微量润滑技术

使用微量润滑技术加工钛合金，即使切削液流或气雾通过刀具作用于加工区域。一方面，现如今对微量润滑油雾发生装置的设计研究存在不足，不能够适应加工中所有情况从而精确控制油雾微粒的大小和分布，且实施起来较麻烦；另一方面，油雾微粒容易在大气中扩散，使周围油雾微粒浓度增加，对人体和环境造成危害。

3.液氮冷却技术

使用液氮技术加工钛合金，使得材料的性能在低温下发生了变化，产生低温脆性，有利于切削加工。但是液氮的存储、运输等费用带来了附加成本；液氮在切削加工中的润滑性不够；加工过程中工件发生热胀冷缩，容易变形；液氮使用的安全性需要特别加以注意。

根据目前的技术，可以看出，需要一种新的对钛合金加工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低温冷风钛合金加工方法，该方法在钛合金切削加工过程中有效的降低切削温度，控制刀具磨损，提高刀具寿命，还可以起到辅助断屑的作用，而且该方法并不会产生污染物，且原材料与所需设备成本低。

本发明的提供的低温冷风加工钛合金工艺方法，该方法是将低温气体射流喷射到切削区域，通过强制对流换热来降低切削区温度以控制刀具磨损提高加工质量，同时还可帮助断屑。

本发明的技术方案如下：

一种低温冷风钛合金加工方法，包括如下步骤：

1)低温冷风喷射系统调试：启动低温冷风喷射系统，在喷嘴7处测量冷风出口的温度，得到其冷风出口温度信息，确保出口温度在-45℃-0℃之间，保证冷风与室温有25℃-70℃的温差；

2)低温冷风喷射系统安装：将低温冷风喷射系统安装在机床上，喷嘴对准刀具前刀面，并与刀尖保持10-15mm的距离；

3)低温冷风切削：完成钛合金工件装夹，设置切削参数：切削深度a_p＝0.1～1mm，进给量f＝0.05～0.5mm/r；完成工件切削。

所述步骤2)中调整喷嘴倾斜角度，其中喷嘴与进给方向的夹角β＝20°～45°；喷嘴与水平面的夹角α＝40°～65°。

所述步骤3)冷风流量在200L/min～500L/min，气体压力范围：0.2MPa～0.6Mpa。

所述步骤3)机床转速设置为3000rpm～6000rpm。

本发明的研究具体说明如下：

低温冷风切削条件下的冷却机理

对于气体而言，由于气体的比热小，不宜作为冷却介质，但由传热基本方程(牛顿冷却公式)可知：

Φ＝AhΔt

式中：Ф——热流量

h——传热系数

A——传热面积

Δt——冷热体温差

根据以上公式可知：使用传热系数大的介质、增大换热面积和温差均可提高冷却润滑剂的冷却作用效果。虽然气体的表面传热系数小，但气体射流却增大了动态的换热面积，强化了热交换；降低气体温度，则可扩大与切削区的温差，增加吸热与换热强度。采用后两个优化条件可以弥补气体传热系数低的缺陷。所以适当降低气体温度以及提高气体流量可以增加换热效果，从而抑制切削温度对材料加工表面和刀具的影响，获得良好的钛合金加工效果。因而，本发明提出最佳的切削温度为-45℃-0℃之间，最佳的冷风流量在200L/min～500L/min。

低温冷风切削条件下的断屑机理

刀具切入工件时，被切金属层经剪切面发生弹塑性滑移变形便成为切屑。如果切屑必须承受变形极限以上的变形时，切屑就折断。如果切屑流出时没有受到工件或刀具的阻碍，或受到阻碍后又脱离了阻碍，则会形成连续的螺旋屑，再继续下去，则会缠绕刀具和工件，影响加工质量。

低温冷风条件下的高压低温气流不但使切削区周围降低到很低的温度，而且流动性很好的冷气将带走大量热量，这样切削区的温度相对势必会降低很多。材料极限应变值与温度有关，温度越低，材料极限应变值越低，越有利于断屑。而且在较低温度，材料会发生低温脆性，切削有利于折断。低温冷风的高速射入带给切屑较大的外力，在外力下，切削变形更大，更容易折断。因而，本发明提出最佳的气体压力范围：0.2MPa～0.6Mpa，喷嘴对准刀尖并与刀尖保持10-15mm的距离，并倾斜合适的角度。

低温冷风切削条件下的刀具磨损机理

由于刀刃处由刀尖圆弧存在，被切削金属在该位置的相对流动速度为0，因此会不可避免的形成小体积的积屑瘤帮助切削。低温冷风在实验条件下形成的积屑瘤是一种金属硬化后附着在刀具表面的积屑瘤，为硬化金属层层堆叠后形成的。积屑瘤与刀片之间依靠分子间作用力连接。由于钛合金本身加工硬化现象明显，在冷风降温条件下，刀具刃口温度低于钛合金的再结晶温度，因此更容易产生堆叠型积屑瘤。低温冷风在高压射入的条件下，不断地渗入到刀具和工件之间，形成流体润滑和边界润滑，使得刀具和切屑的亲和性大大降低，导致积屑瘤和刀具之间出现了明显的直线沟槽，因此该积屑瘤可以完全与刃口脱离且不会对刀具表面材料造成破坏。

切削速度对积屑瘤消长影响是通过切削温度来起作用的，积屑瘤只有在一定的温度范围之内才能够生成。因此，在低温冷风条件下，切削温度降低，更有利于积屑瘤的生成。在经过一段时间不稳定的阶段后，最终形成与刀刃圆弧及切削抗力相适应的稳定的积屑瘤形状，该积屑瘤可增大刀具切削前角，因此能够降低切削中变形抗力，从而降低切削力，在切削过程中代替刀刃进行加工，隔离高温变形区和刀刃，起到保护刀具的作用。

在切削过程中，刀具和工件材料在高温高压的作用下，其摩擦面的两个新鲜表面产生吸附作用便发生粘结。又因为两摩擦表面一直在做相对运动，所以粘结点就会发生破裂，这就是刀具的粘结磨损。低温冷风的射入，切削区温度降低了，工件材料的塑性也降低了，相对而言，其硬度和脆性增加了，所以刀具的粘结磨损就降低了。因而，本发明提出最佳的切削温度为-45℃-0℃之间，并提出与之相适应的切削参数：机床转速设置为3000rpm～6000rpm，设置切削参数：切削深度a_p＝0.1～1mm，进给量f＝0.05～0.5mm/r，加工完成后也有相应的刀具磨损检测方法。

上述几种原理和条件的考量和结合，不是通常意义的简单试验，是经过研究操作以及工艺参数多为长时间加工经验所得，上面所说原理仅仅为了解释低温冷风为什么在钛合金加工中可以有良好的加工效果。

在确保所用机床能够正常运行及周围环境适宜后，利用现有的低温冷风喷射系统装置，现有低温冷风喷射系统装置。通常包括依次连接的空气压缩机1，空气过滤清洁装置2，空气阀3，压力调节表4，涡流管5，保温通道6，喷嘴7；如图1所示的，由空气压缩机1产生高压气流，经空气过滤装置2过滤掉高压空气中的杂质，后通向空气阀3，空气阀3可以调节气体流量大小，空气压力指数在压力调节表4上显示。高压气流经过涡流管5转变为冷空气，再流经保温通道6到达喷嘴7处，经喷嘴喷射出的低温冷风用于可用于加工生产中。

本发明为了有效的降低切削温度，控制刀具磨损，提高刀具寿命，降低加工成本，减少环境污染，采用低温冷风技术对钛合金进行加工。该方法是将低温气体射流喷射到切削区域，通过强制对流换热降低切削区温度，并且有助于断屑。与现有的浇注式切削相比，具有以下效果：

1.在低温冷风条件下，刀具刃口温度低于钛合金的再结晶温度，因此更容易产生堆叠型积屑瘤，硬化金属层层堆叠后形成积屑瘤，可增大刀具切削前角，因此能够降低切削中变形抗力，从而降低切削力。

2.积屑瘤在切削过程中代替刀刃进行加工，隔离高温变形区和刀刃，起到保护刀具的作用。

3.低温冷风的冲击有利于切屑的分离排出。

4.低温冷风避免了使用大量切削液，节约了成本，降低对环境的危害。

附图说明

图1：为低温冷风喷射系统示意图；

图2：为喷嘴角度示意图，清楚得表示β是喷嘴与进给方向的夹角，α是喷嘴与水平面的夹角；

图3：测力系统的示意图；

图4：加工路径示意图；

图5：稳定阶段切削合力图；

图6：铣刀刀具磨损比较图；

图7：车刀磨损比较图。

具体实施方式

根据技术方案的具体举例，证明技术方案可以实施并且达到发明的效果。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明进行钛合金工件加工，该低温冷风加工钛合金工艺方法是通过以下步骤实现的：

1)低温冷风喷射系统调试：启动低温冷风喷射系统，待机直至其工作稳定；在喷嘴7处测量冷风出口的温度，得到其冷风出口温度信息，确保出口温度在-45℃-0℃之间，保证冷风与室温有较大的温差，才能有更好的冷却换热效果，保证加工质量。

2)低温冷风喷射系统安装：将低温冷风喷射系统安装在机床上，喷嘴对准刀具前刀面，并与刀尖保持10-15mm的距离，调整喷嘴倾斜角度，β＝20°～45°，α＝40°～65°，其中β是喷嘴与进给方向的夹角，α是喷嘴与水平面的夹角。

3)低温冷风切削：完成钛合金工件装夹，启动机床并开启低温冷风装置，冷风流量在200L/min～500L/min，气体压力范围：0.2MPa～0.6Mpa，机床转速设置为3000rpm～6000rpm，设置切削参数：切削深度a_p＝0.1～1mm，进给量f＝0.05～0.5mm/r。完成工件切削，关停机床和低温冷风喷射系统。

其中所述表面质量评估方法为对于加工完成的钛合金工件，用无水乙醇清洗，干燥后进行保存，可以得到低温冷风技术加工后的钛合金表面。通过刀具图像信息对比直观获取刀具磨损信息。

实施例1：

本发明提供了一种低温冷风钛合金超加工方法，所述方法具体是按以下步骤完成的：

检查机床各个轴系的工作特性是否正常，待机预热直至机床达到热稳定。

1)低温冷风喷射系统调试：启动低温冷风喷射系统，待机直至其工作稳定，其中低温冷风系统由1空气压缩机，2空气过滤清洁装置，3空气阀，4压力调节表，5涡流管，6保温通道，7喷嘴依次连接组成；利用Fluke Ti200红外热像仪测量冷风出口的温度为-45℃，室温为25℃。

2)低温冷风喷射系统安装：将低温冷风喷射系统安装在机床上，喷嘴对准刀尖，并与刀尖保持15mm的距离，调整喷嘴倾斜角度为：β＝30°，α＝65°，其中β是喷嘴与进给方向的夹角，α是喷嘴与水平面的夹角。

3)低温冷风铣削：完成钛合金工件安装，开启低温冷风装置，冷风流量为240L/min，气体压力为0.4Mpa，机床转速设置为3000rpm，设置切削参数：切削深度a_p＝0.1mm，每齿进给量f＝0.125mm/r，切削速度v＝60m/min，按照一定的切削路径进行切削，读取切削力数据。完成工件切削，关停机床和低温冷风喷射系统，取下钛合金工件并用无水乙醇清洗，干燥后进行保存，得到低温冷风技术加工的钛合金表面；刀具磨损观测使用Dino-lite数码显微镜进行检测。

本发明中所述的钛合金工件材料为TC 4，形状为椭圆形。

本发明中所述的加工路径如图4所示。

本发明中所述的刀具选择Walter WSM35硬质合金刀片，刀具涂层为PVD(TiAIN+Al2O3[ZrCN])，刀体为

端面铣刀(4齿)。

本发明中机床为航智晟70V NC Milling Machine 5-axis机床。

本发明中所述的刀具涂层采用的刀片其涂层材料为PVD涂覆的TiAIN层，氧化温度约为850℃，热分解温度为1000℃。

本发明中所述工件安装是将钛合金工件安装在机床工作台上，并完成钛合金工件的动平衡调整；工作台上安装有kistler9257B测力系统对切削力信息进行采集，kistler9257B测力系统采集的信息经过8电荷放大器传输给9计算机，再经过计算机处理显示出来；kistler9257B测力系统的测量范围-5～5kN，灵敏度2.3pC/N。

本发明中比较了干式切削和浇注式切削时切削力大小与低温冷风时的大小，发现其能够有效降低切削力，如图5所示，低温冷风切削加工的切削合力小于浇注式和干式切削时的合力。

本发明中所述的Dino-lite数码显微镜，为保证放大倍数的一致性使用橡皮泥手工制作刀片支架，配合高度可调式观测台保证图像焦点准确，使用数码显微镜自带软件测量后刀面磨损量及相关磨损数值，如图6所示，其中图a是未进行切削的前刀面，图b是未进行切削的后刀面，图c是进行低温冷风加工后的刀具前刀面磨损情况，图d是进行低温冷风切削后的后刀面磨损情况，比较发现低温冷风能够有效抑制钛合金切削时刀具磨损。

实施例2：

1)低温冷风喷射系统调试：启动低温冷风喷射系统，待机直至其工作稳定，其中低温冷风系统由1空气压缩机，2空气过滤清洁装置，3空气阀，4压力调节表，5涡流管，6保温通道，7喷嘴依次连接组成；利用Fluke Ti200红外热像仪测量冷风出口的温度为-20℃，室温为25℃。

2)低温冷风喷射系统安装：将低温冷风喷射系统安装在机床上，喷嘴对准刀尖，并与刀尖保持15mm的距离，调整喷嘴倾斜角度为：β＝45°，α＝50°，其中β是喷嘴与进给方向的夹角，α是喷嘴与水平面的夹角。

3)低温冷风铣削：完成钛合金工件安装，开启低温冷风装置，冷风流量为350L/min，气体压力为0.2Mpa，机床转速设置为6000rpm，设置切削参数：切削深度a_p＝1mm，每齿进给量f＝0.05mm/r，按照一定的切削路径进行切削，读取切削力数据。完成工件切削，关停机床和低温冷风喷射系统，取下钛合金工件并用无水乙醇清洗，干燥后进行保存，得到低温冷风技术加工的钛合金表面；刀具磨损观测使用Dino-lite数码显微镜进行检测。

本发明中所述的钛合金工件材料为TC 4，形状为椭圆形。

本发明中所述的加工路径如图4所示。

端面铣刀(4齿)。

本发明中机床为航智晟70V NC Milling Machine 5-axis机床。

实施例3：

1)低温冷风喷射系统调试：启动低温冷风喷射系统，待机直至其工作稳定，其中低温冷风系统由1空气压缩机，2空气过滤清洁装置，3空气阀，4压力调节表，5涡流管，6保温通道，7喷嘴依次连接组成，利用Fluke Ti200红外热像仪测量冷风出口的温度为0℃，室温为25℃。

2)低温冷风喷射系统安装：将低温冷风喷射系统安装在机床上，喷嘴对准刀尖，并与刀尖保持10mm的距离，调整喷嘴倾斜角度为：β＝20°，α＝40°，其中β是喷嘴与进给方向的夹角，α是喷嘴与水平面的夹角。

3)低温冷风铣削：完成钛合金工件安装，开启低温冷风装置，冷风流量为500L/min，气体压力为0.6Mpa；切削深度ap＝0.5mm、进给量f＝0.05mm/r，进给速度vc＝45m/min。完成工件切削，关停机床和低温冷风喷射系统，取下钛合金工件并用无水乙醇清洗，干燥后进行保存，得到低温冷风技术加工的钛合金表面；刀具磨损观测使用Dino-lite数码显微镜进行检测。

其中所述刀具选择为：选择机夹外圆车刀：CNMG120404，κ_r＝90°，κ_r’＝10°，γ_o＝-6°，α＝0°，λ_s＝-6°。

其中所述机床为CK6143车床。

其中所示刀具磨损如图7所示，图a是在按照本实施例中所述切削参数进行干式切削后的前刀面磨损情况，图b是进行干式切削后的后刀面磨损情况，图c是进行低温冷风加工后的刀具前刀面磨损情况，图d是进行低温冷风切削后的后刀面磨损情况，比较发现低温冷风能够有效抑制钛合金切削时刀具磨损。

本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims

1.一种低温冷风钛合金加工方法，其特征是，包括如下步骤：

1)低温冷风喷射系统调试：启动低温冷风喷射系统，在喷嘴7处测量冷风出口的温度，得到其冷风出口温度信息，确保出口温度在-45℃-0℃之间，保证冷风与室温有温差25℃-70℃

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤2)中调整喷嘴倾斜角度，其中喷嘴与进给方向的夹角β＝20°～45°；喷嘴与水平面的夹角α＝40°～65°。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤3)冷风流量在200L/min～500L/min，气体压力范围：0.2MPa～0.6Mpa。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述步骤3)机床转速设置为3000rpm～6000rpm。