改善钛合金切削加工性的置氢工艺及置氢量优化

改善钛合金切削加工性的置氢工艺及置氢量优化危卫华1暋徐九华1暋傅玉灿1暋侯红亮2暋李志强21.南京航空航天大学,南京,210016暋暋2.北京航空制造工程研究所,北京,100024摘要:为了改善钛合金的切削加工性能,提出将钛合金进行置氢处理后再进行切削加工。在650曟、750曟和800曟下对Ti-6Al-4V合金进行了置氢处理,并在干切削条件下对其开展了切削力、切削温度对比试验。结果表明:在置氢工艺相同时,随着置氢量增加,热电偶的热电势系数越来越大;主切削力在650曟置氢时相对未置氢试件仅降低2%,750曟置氢时没有降低,而800曟置氢时主切削力约下降了8%;切削温度均呈现先快速降低、经过一平缓变化段后又快速增加的变化趋势,在650曟、750曟和800曟置氢情况下,切削温度相对未置氢试件分别约降低了50曟、76曟和80曟。最终确定优选的置氢工艺为:在800曟下置氢、保温6h、随炉冷却至室温;最佳置氢量范围为0灡21%~0灡37%。关键词:钛合金;置氢工艺;置氢量;热电势系数;切削力;切削温度中图分类号:TG506暋暋暋文章编号:1004—132X(2010)02—0196—06OptimizationofHydrogenationProcessandHydrogenationConcentrationinImprovingTitaniumAlloyMachinabilityWeiWeihua1暋XuJiuhua1暋FuYucan1暋HouHongliang2暋LiZhiqiang21.NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing,2100162.BeijingAeronauticalManufacturingTechnologyResearchInstitute,Beijing,100024Abstract:Thetitaniumalloyisakindoftypicaldifficult-to-cutmaterial.Beforemachining,thetitaniumalloyswereprocessedat650曟,750曟and800曟bythermohydrogentreatmenttechnologyrespectivelyinordertoimprovethemachinability.Themeasurementexperimentsaboutcuttingforceandcuttingtemperaturewerecarriedoutindrycutting.Theresultsshowthat,whenthehydrogenationprocessisidentical,thermoelectromotiveforcecoefficientincreaseswiththeincreaseofhydrogenconcentration.WhentheTi-6Al-4Valloywashydrogenatedat650曟,750曟and800曟respectively,themaincuttingforcefalls2%,0%and8%respectively.Moreover,thecuttingtemperaturefirstlyrapidlyreduces,secondlyflatlychanges,thirdlyrapidlyincreseswiththeincreaseofhydrogenconcentration,andthecuttingtemperaturereduces50曟,76曟and80曟respectivelyunderthethreehydrogenationtemperature.ThepreferredhydrogenationprocessofTi-6Al-4Visasfollows,theprocessisconcludedat800曟for6hours,thencooledinthefurnace,andtheoptimumhydrogenconcentrationrangesfrom0.21%to0.37%.Keywords:titaniumalloy;hydrogenationprocess;hydrogenationconcentration;thermoelectromotiveforcecoefficient;cuttingforce;cuttingtemperature收稿日期:2009—03—27基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775115)0暋引言钛合金具有比强度高、耐热性和耐腐蚀性好等优良性能,在各工业领域特别是航空航天领域得到越来越广泛的应用[1飊2]。但钛合金材料切削加工时,由于切屑与前刀面接触面积小,因而切削时刀尖应力大,另外,钛合金材料导热系数较小,切削热不易散失,因而极易引起切削区局部高温,这些因素都将加速刀具的磨损,并直接影响到钛合金材料的加工表面质量[3飊5]。因此,通过降低切削过程中的切削力和切削温度,从而改善其切削加工性能,是提高钛合金加工效率和降低加工成本的重要技术手段。为了改善钛合金材料的切削加工性能,人们尝试为钛合金的切削加工提供低温、真空、惰性气体保护等外部氛围条件,但均收效甚微,还大幅度增加了加工成本[6]。1959年,Zwiecker、Schleicher在不经意中发现钛合金适度置氢可明显改善其热加工性能[7],这一发现通过实验得到了证实,由此也催生了一种可望从根本上改善钛合金加工性能的新技术———热氢处理技术。所谓钛合金的热氢处理技术是利用氢致塑性、氢致相变,以及氢的可逆合金化作用以实现钛氢系统最佳组织结构,从而改善加工性能[8]。利用热氢技术来改善钛合金的切削加工性能,在国外已进行了一些前期研究工作,并取得了一定成效[9飊13],但国内对置氢钛合金切削加工的研究至今未见相关报道。鉴于国内航空制造业对·691·中国机械工程第21卷第2期2010年1月下半月ClicktobuyNOW!PDF-XChangeViewer!PDF-XChangeViewer提高钛合金切削加工效率和降低切削加工成本的迫切需要,笔者开展了置氢钛合金的测力测温试验研究,寻找置氢量对硬质合金-置氢钛合金自然热电偶的热电特性的影响规律,以及置氢工艺和置氢量对切削力、切削温度的影响规律,并据此优选出改善钛合金切削加工性能的置氢工艺和置氢量范围,为后续的置氢钛合金切削加工机理研究提供依据。1暋试验1.1暋置氢工艺及试件制备置氢钛合金母材选用锻态Ti-6Al-4V(TC4),其主要化学成分如表1所示。三种置氢工艺过程具体为:将各锻态TC4棒料经表面处理后分别置于一定温度(工艺栺采用650曟、工艺栻采用750曟和工艺栿采用800曟)的氢气炉中,采用气相充氢方法对其置氢,氢含量通过在充氢系统中调节充氢压力来控制(合金中实际氢含量由精密分析天平用称重法得到,天平精度为1暳10-5g。),在该温度下保温6h,然后随炉冷却至室温。本试验中采用的置氢钛合金为毤18mm暳100mm的棒料,三种置氢工艺及相应的含氢质量分数(w(H),即置氢量)如表2所示。下文所提氢含量均指质量分数w(H),不再注释。表1暋置氢TC4钛合金母材主要化学成分%w(Al)w(V)w(Fe)w(Si)w(C)w(O)w(H)w(Ti)6.4004.3000.0380.0400.0100.1400.002余量表2暋置氢TC4钛合金置氢工艺及置氢量置氢工艺种类置氢工艺内容置氢量(%)置氢工艺栺650曟置氢,炉冷至室温。0.210.370.570.650.91置氢工艺栻750曟置氢,炉冷至室温。0.210.370.570.78置氢工艺栿800曟置氢,炉冷至室温。0.210.370.650.911.2暋试验方法试验系统原理图如图1所示。切削力测量采用三向压电式测力仪。3个方向切削力分别为进给抗力Ff(轴向力)、切深抗力Fp(径向力)和主切削力Fc(切向力)。切削热电势的测量采用自然热电偶法,结合刀具和工件材料的温度-热电势标定曲线,得到图1暋切削力、切削温度测量试验系统原理图刀具前刀面与切屑接触区的平均温度值。考虑到刀片尺寸相对较小,在切削过程中刀片尾端(冷端)的温度会高于室温,这时从刀片尾端引出导线将产生附加热电势,从而影响测量精度。故在刀片的冷端连接点处,引出两根与刀片材料热电极性相反的金属丝(铜丝和康铜丝),再接上可变电阻使之组成回路,通过调节可变电阻的触点位置,使其回路电位相等,从而消除附加热电势。1.3暋试验条件(1)机床。国产C630车床,该车床具有较高的承载能力和刚性。(2)工件材料。置氢Ti-6Al-4V,Ti-6Al-4V属于一种高强度毩+毬两相钛合金。(3)车削刀具。WC/Co类硬质合金可转位机夹刀具,前角为10曘,后角为4曘,主偏角为90曘,刃倾角为0曘。刀片牌号、型号分别为YG8和31303C,刀尖圆弧半径为0灡3mm。(4)测力系统。瑞士产Kistler9265B型三向压电式测力仪、DynoWareV2.30型力信号采集系统和5019A型电荷放大器。(5)测温系统。HP3562型动态信号分析仪、自行研制的热电偶快速标定装置。(6)车削方式。干式外圆车削。(7)切削参数。切削速度vc取20m/min,进给量f取0灡1mm/r,切削深度ap取1mm。2暋试验结果与分析2.1暋置氢量对刀具-工件热电偶的热电势影响自然热电偶法是目前切削加工中比较成熟和常用的温度测量方法,其工作原理是基于不同导体间的热电效应。由于不同置氢量钛合金TC4和刀具材料构成的热电偶为非标准热电偶,采用比较法分别对其进行了标定,并进行了冷端室温补偿,结合中间温度定律,得到相对于0曟的热电特性关系,即温度标定曲线。图2所示为硬质合金刀具(下面简称YG8)和置氢钛合金(不同置氢工艺下的TC4)材料之间的温度标定曲线。由于热电偶材料之一为硬质合金刀具,因此,·791·改善钛合金切削加工性的置氢工艺及置氢量优化———危卫华暋徐九华暋傅玉灿等ClicktobuyNOW!PDF-XChangeViewer!PDF-XChangeViewer(H)=02.w(H)=0.21%3.w(H)=0.37%4.w(H)=0.57%5.w(H)=0.65%6.w(H)=0.91%(a)YG8-TC4(置氢工艺栺)温度标定曲线1.w(H)=02.w(H)=0.21%3.w(H)=0.37%4.w(H)=0.57%5.w(H)=0.78%(b)YG8-TC4(置氢工艺栻)温度标定曲线1.w(H)=02.w(H)=0.21%3.w(H)=0.37%4.w(H)=0.65%5.w(H)=0.91%(c)YG8-TC4(置氢工艺栿)温度标定曲线图2暋YG8-TC4(不同置氢工艺)温度标定曲线几种置氢工艺下的标定曲线差别仅与置氢钛合金材料特性有关。由图2可以发现:无论是哪种置氢工艺,未置氢试件对应的标定曲线均处于曲线族的左上方,即相同温度下,未置氢试件加工时对应的热电势最小,且置氢量越大,对应的标定曲线愈趋于曲线族的右下方,即对于相同的温度值,置氢量越大的试件对应的热电势越大。依据不同导体材料的塞贝克效应[14]:E=毸(TH-TC)(1)式中,E为温差电动势;毸为热电势系数(塞贝克系数);TH为热端温度;TC为冷端温度。可知,各置氢工艺下,未置氢试件对应热电偶的热电势系数明显小于置氢试件,且置氢量越大,对应的热电势系数越大,即测温灵敏度越大。其原因主要是由于氢的加入,使钛合金材料的物理性能发生了变化[15],例如,材料组织中毩相和毬相相对百分比的变化,材料热传导率的变化等。2.2暋置氢工艺和置氢量对切削力的影响图3所示为钛合金TC4在工艺栺、栻、栿下置氢后,车削外圆