鈦及鈦合金機(jī)械加工

1、鈦及鈦合金機(jī)械加工2009年第9期(總第227期)vesnews鈦及鈦合金機(jī)械加工寶雞鈦業(yè)股份有限公司周友誠(chéng)#矗奠毒舞葦#q葚一.:%奇臻罐端蕞嵇毒;t*幽鈦及鈦合金是一種新興的生物金屬工程材料,具有比重小,高比強(qiáng),耐高溫,耐腐蝕,超導(dǎo)性,無(wú)磁性,記憶性,生物相容性,不僅是航天航空兵器,艦船等軍事工業(yè)中不可缺少的結(jié)構(gòu)材料,而且在制藥,醫(yī)療器械等部門中也廣泛應(yīng)用,特別是制造人工關(guān)節(jié),人工股骨頭,人工膝關(guān)節(jié),人工全肱骨,人工腕關(guān)節(jié),人工踝關(guān)節(jié),人工椎體,人工骼骨,骨螺栓,骨接板等.口腔修復(fù)中有牙冠,冠釘,固定橋,烤瓷橋,粘結(jié)橋,義齒卡環(huán),基托連接裝置和加強(qiáng)裝置義齒,所有金屬部件,各醫(yī)科的鈦制手術(shù)器

2、械等.以上產(chǎn)品屬于生命支持的一類器械,質(zhì)量檢查嚴(yán)格,機(jī)械加工較復(fù)雜.鈦及鈦合金是屬于難切割加工材料,經(jīng)過(guò)數(shù)道工序如人工股骨頭生產(chǎn)過(guò)程如下:(1)下料一按工藝運(yùn)用靠模,在砂輪切割機(jī)下斷料.(2)初鍛一采用自由鍛,噴油爐加熱溫度85o980,在40kg空氣鍾上鍛打成型.(3)砂磨選材質(zhì)為氧化鋁磨料,粒度366o中硬砂輪加工磨去鋒棱,銳角和表面微裂紋,切除氧化皮.(4)模鍛一毛坯加濕800c一960c,模具加濕2o0ci=250利用300t400t摩擦壓力機(jī)械鍛加工,產(chǎn)品在模具中模鍛成型.(5)紅切邊一連續(xù)作業(yè),工件在750c850ci=時(shí)把成型毛坯在相應(yīng)噸位沖床上,立即放人切邊模內(nèi)沖切,切除四周廢

3、邊.(6)熱整形一將鍛件加熱到600一800oc要800t精壓機(jī)上校正.(7)磨加工一按圖加工,磨球頭和斜面氧化層,柄部平面,平直,倒銳角.(8)鉆削首先用硬質(zhì)合金鋼,鉆氧化層然后用普通高速鋼鉆(手動(dòng))鉆出孔,再正反面鉆孔,加工時(shí)用防銹乳化液冷卻.(9)鉗加工銼平,修毛刺整理.(1o)粗車削選yg8或xg6x車刀車削,粗削外圓,留0.4mm余量用防銹乳化液冷卻.(11)精磨一磨蛋形斜面,與頸部平滑過(guò)程連接,不能碰球頭.(12)精車一應(yīng)用專用夾具,校準(zhǔn)加工件,采用圓球?qū)Ｓ密嚲?精車圓球.(13)拋光一采用無(wú)鐵介質(zhì),按工藝規(guī)程加工,達(dá)到相應(yīng)表面粗糙度要求.(14)清洗一去脂,漂洗和干燥,去除拋光后

4、油泥和其他附著物,保持工件光潔干凈.(15)打標(biāo)記按不同規(guī)格,相應(yīng)打上鋼印標(biāo)記.(16)噴陶瓷一(外加工)在柄部噴陶瓷.(17)精拋一球頭拋光,達(dá)到鏡面精度.(18)檢驗(yàn)一表面一般要求,用倍率放大鏡檢查,表面裂紋采用vcs著色滲透法擦傷,內(nèi)部質(zhì)量采用x射線探傷粗糙度,用電測(cè)法測(cè)定.(19)包裝一用精制塑料包裝盒包裝,內(nèi)墊絨布海綿.目前應(yīng)用外科植入用的鈦及鈦合金材料有:純鈦,金屬牌號(hào)為ta1,ta2,ta3,ta4鈦合金化學(xué)成份ti一6ai一4v牌號(hào)為tc4鈦合金化學(xué)成份ti一6ai一7nd含鈮合金鈦合金化學(xué)成份ti一5ai一2.5fe合金加材鈦合金化學(xué)成份til5mo在人造骨關(guān)節(jié)所選的工藝真空

5、熔煉精密鍛造,真空精密鑄造和粉末冶金等,由鈦及鈦合金再熔煉,必須在真空或隋性氣體保護(hù)下進(jìn)行熔煉和鑄造.一般在外科植人用鈦及鈦合金進(jìn)行多次熔煉和鍛造的產(chǎn)品,必須嚴(yán)格檢查外部表面,常常有氧化皮,裂紋,凹坑,折疊等缺陷.根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪悦庥绊戝懺鞎r(shí)質(zhì)量,對(duì)于鍛造工序結(jié)束的鍛件如棒材需要鋸切掉頭尾,還要打磨掉毛刺,有些鍛件還要進(jìn)行扒皮,校正或者酸堿洗以取掉表面氧化皮.由于工藝嚴(yán)格,需要通過(guò)精整方法,化學(xué)分析,機(jī)械性能試驗(yàn),外觀檢驗(yàn),金相分析和x射線探傷等復(fù)雜檢查,才能判斷質(zhì)量的好壞.精整工藝對(duì)于保證鍛件質(zhì)量是不可少的工序?8?2009年第9期(總第227期)根據(jù)不同的要求可經(jīng)如下處理:

6、去氧化皮,酸洗,噴砂化學(xué)銑磨削,機(jī)/jn-r,剝皮,拋光.精整方法主要有以下幾種:一,打磨打磨的目的主要是為了清理掉各種裂紋,凹坑及折疊,鍛件應(yīng)無(wú)開(kāi)裂,裂紋,裂痕方面的缺陷.打磨的設(shè)備有懸式砂輪機(jī),落地式砂輪機(jī),手提砂輪切割機(jī)等可在磨棒上進(jìn)行清理.根據(jù)來(lái)料選擇砂輪,一般對(duì)于半成品修磨采用粒度號(hào)小的砂輪,對(duì)于成品材選用大號(hào)60#以上砂輪.材質(zhì)為氧化鋁磨料,磨去鋒棱,銳角和表面微裂紋切除氧化皮.修磨裂紋時(shí),砂輪應(yīng)置于垂直裂紋的方向以免修磨方向與裂紋方向一致時(shí)將裂紋掩蓋導(dǎo)致修磨不凈.在修磨缺陷時(shí)砂輪應(yīng)經(jīng)常移動(dòng),不得在一處停留時(shí)問(wèn)過(guò)長(zhǎng),用力過(guò)大以防止金屬局部熱氧化,修磨后的表面不得出現(xiàn)藍(lán),黑色,不得出

7、現(xiàn)陡階和凹臺(tái).并適當(dāng)降低砂輪速度,邊加工邊用防銹液高壓冷卻,降低切削溫度,提高表面質(zhì)量減少刀具磨損.二,鋸切鋸切也是鈦及鈦合金鍛造生產(chǎn)件一道重要的輔助工序.鋸切主要用于鍛造坯料的中棒,成品棒材頭尾的去除.鋸切所用設(shè)備有:圓盤鋸,弓型鋸,砂輪切割機(jī),車床,線切割機(jī),等離子切割機(jī),激光切割,氣體切割,電焊切割,電子束切割等.三,鈦合金的機(jī)械加工鈦合金與難切削材料,切削工具的成本很高,鈦合金在切削時(shí),對(duì)于有裂紋以及除掉表面氧化皮的棒料需要進(jìn)行無(wú)損探傷并在車床上剝皮處理.鈦合金在切削時(shí),溫度一般比45號(hào)鋼高一倍,在高溫狀態(tài)下鈦容易和大氣中氧,氮形成硬而脆的氧化層,而且在鍛壓和沖壓中由于表面氣體沾污形成

8、原有硬化層,表面非常堅(jiān)硬加上鈦合金的塑性變形,所以是難加工材料,切削力不大,刀具易磨損.實(shí)踐證明,在車削時(shí)按表l選擇,用yg6硬質(zhì)合金車刀,應(yīng)用活絡(luò)頂針,當(dāng)切削深度取lmm進(jìn)給量約0.1mm/轉(zhuǎn)時(shí),切削速度60m/min左右比較適宜,加工中用防銹乳化液高壓冷卻降低切削溫度來(lái)提高表面質(zhì)量.鈦及鈦合金屬于難切削加工材料,影響鈦合金切削加工性主要因素有:.9.表1車削加工參數(shù)車削速度車削走刀量名稱刀具光潔度(分)深度(毫轉(zhuǎn))yg8o.15粗車削202523yg60.40yg8o.1o.o6精車削307o56yg60.50.20(1)氣體雜質(zhì)的影響棒材中的氧,氫,氮等對(duì)鈦合金的切削加工性有很大的影響,

9、并隨著這些氣體在鈦合金中含量的增加,而使切削/jn-r中鈦的化學(xué)活性高,使它很容易與接觸的介質(zhì)起反應(yīng),并隨著溫度的升高而加強(qiáng).即使出現(xiàn)氧化皮的同時(shí),氧還向鈦中擴(kuò)散,當(dāng)溫度在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí),氧向鈦中擴(kuò)散特別強(qiáng)烈,以致形成脆化層,其厚度隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加,這就使鈦合金的塑性降低,硬度提高.鈦中含量愈多愈嚴(yán)重.在鈦中隨溫度的提高,氫擴(kuò)散極其強(qiáng)烈,并形成間隙固溶體產(chǎn)生氫脆性.氧在室溫下對(duì)鈦沒(méi)有影響,高溫時(shí)氮和鈦強(qiáng)裂化合,生成硬而脆的氮化鈦(tin).在鈦合金中的雜質(zhì)(o:,n,h),能使鈦合金脆化.在鍛造/jn-r中,由于表面氣體的污染也會(huì)形成硬化層,所以這些將使鈦合金的切削加工性能惡化.(2)

10、物理機(jī)械性的影響從鈦合金的機(jī)械性能可知,鈦合金塑性較低,切削時(shí)塑性變形也小.這種小的塑性變形將造成切屑經(jīng)去切削刃后,立即向上卷曲,使切屑與刃前面的接觸長(zhǎng)度極短,大約只有切削鋼時(shí)的1/31/4.由于不在刃部造成積屑,故切削熱不易傳出.集中在切削刃附近的很小范圍內(nèi),同時(shí)又由于鈦合金的導(dǎo)熱性很差.導(dǎo)熱性只相當(dāng)于45#鋼的1/51/7,因此使切削溫度很高,刀刃磨損很快,使切削加工性惡化.(3)含碳量和加工硬化的影響鈦合金切削還和含碳量的多少有關(guān),當(dāng)含碳量>0.2%時(shí),會(huì)形成硬的碳化物,使切削加工性下降,當(dāng)含碳量<0.2%時(shí),切削加工性得到改善.造成鈦合金加工困難的重要原因就是加工硬化.嚴(yán)重

11、硬化的原因是切削過(guò)程中的塑性變形,另一個(gè)是在高的切削溫度下,鈦很容易吸收大氣中的氫和氮形成硬而脆的外皮.在正常切削條件下硬化深度為0.10.5毫米,硬化程度為20%30%.加工硬化會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度,加劇刀刃的磨損,給#譬#2009年第9期(總第227期)以后的加工帶來(lái)困難.鈦合金的抗腐蝕性優(yōu)于不銹鋼,作為零部件重量減輕的重要指標(biāo)的比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度之比)也高于鐵和鋁金屬.一般情況下廣泛使用的鈦合金ti一6ai一4v,在室溫下硬而脆難以進(jìn)行冷間鍛造,因此多采用切削加工法來(lái)生產(chǎn).四,鈦及鈦合金的切削加工鈦合金切削屬于難切削材料之一,切削加工的特點(diǎn)是:(1)切削變形小.切削過(guò)程中,在高的切削溫度

12、下,化學(xué)親合性很強(qiáng)的鈦易與大氣中的氧,氮等元素化合,從而使表面塑性降低脆性增加,因而使切削變形較小.(2)切削溫度高.切削鈦合金時(shí),與切削普通鋼相比,其切削變形系數(shù)小,產(chǎn)生的熱量比較小,比切削45撐鋼切削溫度低.當(dāng)切削速度為40分時(shí),鈦合金切削溫度高的原因,是鈦的導(dǎo)熱性差,其導(dǎo)熱系數(shù)為45#鋼的1/51/7.其次,切削鈦合金時(shí),由于刃前鈦屑積聚少,故帶走熱量少,這是產(chǎn)生高溫的另一原因.(3)切削力不大.當(dāng)切削鈦合金時(shí),其塑性變化較小,因而切削力不大.切削鈦合金時(shí)主切削力比切鋼時(shí)平均小20%,但徑向切削力和軸向切削力比切削鋼時(shí)要大些.切削鈦合金時(shí),切削分力與軸向切削力的加大,說(shuō)明作用于刀具面上的

13、力要比切削鋼時(shí)大些,這將對(duì)切削產(chǎn)生較大的影響,因?yàn)殁伜辖鸬膹椥阅?shù)較小.大約相當(dāng)鋼的1/2,因此工件容易產(chǎn)生塑性變形,引起振動(dòng),并加速刀具的磨損和影響零件精度,因此加工鈦合金時(shí)要求用高剛性車床.加工鈦合金時(shí),選擇磨損限度要考慮硬化,表面光潔度,耐用性,特別重要的是要考慮力的因素.一般用硬質(zhì)合金車刀精車和半精車時(shí),限度以vb0.4毫米.(4)加工硬化嚴(yán)重加工鈦合金時(shí),一個(gè)重要的特點(diǎn)是加工硬化嚴(yán)重.其原因是由于切削過(guò)程中的塑性形成及切削溫度下空氣中介質(zhì)的作用而生成的硬化皮.在所有工藝因素中,影響硬化深度和硬化程度是刀具磨損.(5)刀具易磨損加工鈦合金時(shí)刀具易磨損,原因是機(jī)械磨損,在粗加工時(shí)比較顯著

14、.因?yàn)槊鹘?jīng)鍛造加工后存碳,鈦,鈷粘結(jié)在一起,工件表面運(yùn)動(dòng)及切屑流出時(shí)帶走刀具質(zhì)點(diǎn),從而造成粘結(jié)磨損.車削鈦合金時(shí),刀具的磨損不僅發(fā)生在后刀面上,而且也發(fā)生在前刀面上,有時(shí)前刀面上磨損比后刀面上磨損更為嚴(yán)重.這是因?yàn)榍行寂c前刀面接觸面積小,單位壓力大,切削溫度高切屑與刀具粘結(jié),再加之切屑變形系數(shù)小,切屑在前刀面上滑移速度高的緣故.五,刀具材料和切削用量的選擇加工鈦合金時(shí),最適合的材料是鎢鈷類硬質(zhì)合金.在相同的切削條件下,鎢鈷類(yg)硬質(zhì)合金的耐用度比鎢鈦鈷(yt)類高.()類硬質(zhì)合金中含鈦,在高溫下容易與鍛件中的鈦發(fā)生親和作用,造成粘結(jié)磨損.而(yg)類硬質(zhì)合金中由于不含鈦,因而粘結(jié)力小,使

15、粘結(jié)磨損少,因?yàn)殁伜辖饘?dǎo)熱性差,因而應(yīng)當(dāng)采用導(dǎo)熱性好的材料做刀具.(yg)比(yt)導(dǎo)熱系數(shù)高22.5倍,散熱條件較好.切削鈦合金時(shí),作用在刀具接觸面上的單位壓力較大,因而應(yīng)選用抗彎強(qiáng)度比較高的(yg)類硬質(zhì)合金,以防止崩刃.粗車時(shí),一般選用yg8及yw4,半精車和精車時(shí)選擇yg4,yg6,yg6x效果較好,在斷續(xù)切削中可選用高速鋼和高鉆高速鋼.切削用量選擇應(yīng)從切削溫度的觀點(diǎn)出發(fā),因?yàn)楦叩那邢鳒囟葘?huì)因吸氧而形成硬化層,使工件表面硬而脆,使刀具磨損劇烈.在切削鈦合金時(shí),為使切削溫度合適,一般選用較低的速度,較大的切削深度和進(jìn)給量.表2鈦合金最佳切削速度ap(mm)1230.1,0.15,0.1

16、,0.15,f(mm/轉(zhuǎn))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選擇是切削速度,因?yàn)榍邢魉俣葘?duì)刀具耐用度的影響最大.用yg6x切削tca合金時(shí),當(dāng)取a=l毫米,f=0.1毫轉(zhuǎn)時(shí)最佳切削速度v=60分.當(dāng)進(jìn)給量和切削深度改?10?強(qiáng)切材素一一一一一一一刪一一一一徹徹昭肋加師揶捌戤esnews裝2009年第9期(總第227期)變時(shí),最佳切削速度可按表2選樣.進(jìn)給量對(duì)刀具耐用度的影響較小,因此在保證表面光潔度的條件下,可選取較大進(jìn)給量一般取表2中0.10.3毫米/轉(zhuǎn).應(yīng)該指出的進(jìn)給量不能選的太小.因?yàn)檫M(jìn)給量

17、太小,不僅使刀刃在硬化層內(nèi)切削,加劇刀刃磨損,而且太薄的切屑在高的切削溫度下會(huì)引起自燃,因而不允許進(jìn)給量小于0.05毫轉(zhuǎn).表3車外圓(車外皮)時(shí)切削用量進(jìn)給量不同切削速度(mm)下的切削速度(分)mrn/分l234o.o853.851.65o.549.50.1504846.7460.1544.2440.53937.537o.253836.535.635o.33634.433.533切削深度對(duì)刀刃耐用度的影響最小,因此一般可選取較大的切削深度.這樣不僅刀尖在硬化層以外切削,減少刀具磨損,而且還可以增加切削刃工作長(zhǎng)度,有利于散熱,一般取16毫米.表4干法與濕法車削參數(shù)的比較

18、刀具高速鋼刀硬質(zhì)合金刀冷卻方法干法濕法干法濕法切削速度1015202530354055(分)進(jìn)給量0.1o.20.10.25o.10.2).10.25(毫轉(zhuǎn))六,冷卻潤(rùn)滑液的選用切削鈦合金時(shí),由于切削溫度高,因而進(jìn)行充分冷卻潤(rùn)滑降低切削溫度,提高加工表面質(zhì)量和刀具耐用度均有顯著效果.車削鈦合金時(shí),采用提高抗粘著性的新型潤(rùn)滑膜的潤(rùn)滑方法,可以采用防銹乳化液和極壓乳化液,用高壓冷卻法效果更好.附錄:銑削工藝吃刀深度銑削速度走刀量牌號(hào)(mm)(m/分)(ram/轉(zhuǎn))ta1ta2,5744630.3o.7ta3刨削工藝吃刀深度銑削速度走刀量牌號(hào)(mm)(rn/分)(ram/轉(zhuǎn))ta26712l8o.251.ota3鉆孔工藝(孔徑mrl1)一6小714,1,1530牌號(hào)走刀量鉆速走刀量鉆速走刀量鉆速(ram/轉(zhuǎn))(m/分)(ram/轉(zhuǎn))(n1/分)(ram/轉(zhuǎn))(nl/分)o.o312o.0520.0.120ta10.05240.15300.230ta20.07100.10一180.1518ta3o.0924o.1524o.3024鉆