代宝林-整体CBN刀具切削钛合金机理研究.doc

绪论 1.1 课题背景 机械制造业是一个国家综合实力的重要标志，同时也是社会发展和国防建设的技术基础。随着生产的发展，当今世界制造业逐步向着高效能、高精度和绿色化发展，但影响着机械制造业发展的主要因素还是效率问题，因此高效切削加工技术将成为未来机械制造业的发展主流[1]。高效率切削加工技术主要包括高速切削、大切深、大进给、干（准干）切削和复合切削等，当然提高加工效率提高切削速度是必不可少的。目前，钢铁和铝合金等材料已经广泛使用了高效切削加工技术，如表1.1所示。 表1.1 高效切削加工技术的应用[2] 材料 切削速度m/min 铝合金 2000-5000（最高7500） 铸铁 800-1500（最高2200） 钢 350-700 高速切削加工具有可以提高生产效率、表面质量和改善加工精度等优点[3]，同时还可以降低加工生产的成本，有时还可以省略后续加工工序，因此高速切削已经在航空航天、模具和汽车等行业得到广泛应用。高速切削加工的特点主要包括：进给量随着切削速度的增加而相应的提高，这样做的效果是，材料在单位时间内的切除效率增加了。加工时由于切屑会快速的被排出而带走大量的切削热，使得切削热来不急传到工件，有助于提高工件的加工精度。切削力将随着切削速度的提高而降低，切削力降低的同时可以减小加工工件时所产生的振动。 然而，高速切削加工技术在加工一些材料的时候还是有很多问题需要解决的，例如：难加工材料钛合金，应用高速切削加工技术来加工钛合金时主要存在的问题就是切削温度和刀具磨损，表面完整性的研究和切削机理的研究等，都需要进一步的发展和完善，使得高速切削技术能够的到进一步的发挥。 从20世纪中期以来，随着化工、造船、冶金、医疗和航天航空技术发展的迫切需要，钛合金由于其具有比强度高、耐热性好和良好的耐腐蚀性等优点而被广泛应用[4]，钛工业的到了迅猛的发展。对钛合金需求量增加同时也对加工钛合金的效率有了更高的要求，而钛合金由于其硬度大、强度高、摩擦系数大、弹性模量低和高温下化学活性高等特点使钛合金成为了难加工材料之一。现阶段钛合金的加工方面，在国内由于受到刀具性能的影响和缺乏加工钛合金的基础理论支持，车削钛合金的切深速度在40-70m/min，铣削30-50m/min，在国外加工钛合金的速度可以达到100-200m/min。因此虽然钛合金在航天航天工业以及其它工业都有广泛的应用前景，但仍然受到了加工效率的制约[3]。 1.2 钛合金简介 1.2.1钛合金的分类及应用 钛属于同素异构体，根据钛在不同温度下的结构不同可以把钛分为α、β和α+β钛。通过添加一些适当的合金元素，在结合一下钛合金的结构特点，让其相变温度和相分含量得到改变，这样就可以得到不同组织的钛合金。 ⑴ α相钛合金 α相钛合金是由α相固溶体组成的单相合金，主要向α加入稳定元素，例如Al、Ca和Ge等和O、C稳定的间隙性元素。α钛合金的优点是组织稳定、抗氧化性好、焊接性能好、耐腐蚀性和切削加工性好，但α钛合金的缺点也是很明显的，塑性低冲压性能差。α钛合金的牌号用TA表示，最常见的是TA7，一般可用作飞机蒙皮、骨架零件和叶片等[5,6]。 ⑵ β相钛合金 和α相钛合金相似，是由β相固溶体组成的单相合金，加入β的稳定元素V、Mo和Nb等。β型钛合金具有较高的强度，缺点是热稳定差，一般不适合在高温下使用。β型钛合金的牌号用TB表示，主要应用于压气机叶片、轴类和飞机构件等。 ⑶ α+β相钛合金 α+β型钛合金是一种双相合金，包含了α和β两项的稳定元素。因此α+β型钛合金的综合性能非常的好，组织稳定、韧性和塑性好，高温下强度高，还具有低温韧性良好和良好的抗腐蚀能力。α+β型钛合金被广泛应用于航空航天、造船、化工和医疗等工业上，可以用来制造飞机发动机、飞机结构件、起落支架和导弹发动机外壳等。α+β型钛合金的牌号用TC表示，常见的有TC1、TC4等。 钛合金在航空航天方面的应用主要是在涡轮盘、叶片一级喷气发动机，同时也被用来制造成转向梁、机身后段，并代替铝用于制造飞机的蒙皮。如表1.2所示为国外的以往和当前战斗机中使用的材料对比，从表中可以看出钛合金在近些年的使用量在逐步增加，而铝的使用量在减少，美国拥有“全钛飞机”高空侦察机SR-71中钛合金的使用量达到了重质量的93%。这主要是是由于钛合金的优良性能。当然钛合金的应用不止于航空航天上，在其它军事方面、航海和精密机械方面也很受欢迎。例如：导弹壳体、火箭壳体和装甲车上的防护装甲等，航海中可用于泵、阀门以及推进器等需要在腐蚀环境中进行工作的零件。 表1.2 美国战斗机中材料质量分数/%[7] 所用材料 CY-27 F-14 F-15 F-117 F22 铝合金 60 39 36 20 11 钛合金 17 24 27 25 41 钢 10