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难加工材料的高效加工技术工欲善其事必先利其器哈尔滨理工大学岳彩旭目录1、绪论2、航空航天领域的难加工材料2.1高温合金的加工2.2钛合金的加工2.3碳纤维材料的加工3、石油化工领域的难加工材料4、结语2绪论工件材料切削加工性的评定指标1）以一定耐用度下的切削速度vT衡量加工性；2）以切削力或切削温度衡量加工性；3）以加工表面质量衡量加工性；4）以切屑控制或断屑的难易。材料的切削加工性材料的切削加工性是指对某种材料进行切削加工的难易程度。3绪论难加工材料：材料被切削时，刀具寿命低，所允许的切削速度低，质量不易保证，不易断屑，切削力大，产生的切削热较高，这种材料的加工性差，称为难加工材料。难加工材料种类：难加工材料非金属材料碳纤维陶瓷石墨硅橡胶难加工金属材料高锰钢高强度钢不锈钢高温合金钛合金4绪论航空航天高温合金钛合金碳纤维石油化工高强度不锈钢0Cr18Ni9Ti高温、高强度钢2.25Cr-1Mo-0.25V难加工材料的应用领域5航空工业领域----高温合金铁基固溶合金GH1015、GH1016、GH1035、GH125、GH1131FN-2、RA333等铁基时效合金GH2018、GH2036、GH2038A、GH2130、GH2132、GH2135、A-286镍基固溶合金GH4033、GH4037GH41693J68、Inconel718、R26、Nimonic80ANimonic90镍基时效合金GH4033、GH4037、GH4049、GH80A、GH90、GH93、GH98、GH99、GH105钴基合金GH188、GH605、GH783、Hastelloy188、Hayness-25耐蚀合金Incoloy800、Incoloy800H、Incoloy825、Alloy20cb3、Inconel600、Inconel690、HastelloyB高温合金种类6高温合金的牌号、特性及用途合金牌号使用温度及强度用途GH4706650℃涡轮发动机、燃气轮机、核工业Fe-Ni基高温合金GH4698800℃承力零件、Waspaloy合金相当GH4742800℃550-800℃温度范围和高应力下工作的涡轮盘、轴承力环，紧固件等GH4738870℃各种发动机中GH4169-253~760℃航空、航天、核能、石化工业广泛的零件GH4141-196~850℃燃汽涡轮部件1078~1470mpaGH4586-196~850℃燃汽涡轮部件1250~1500mpa航空工业领域----高温合金7航空工业领域----高温合金高温合金做成的发动机冷却环高温合金整体叶盘能变形的镍基高温合金尾喷口航空高温合金用途举例8航空工业领域----高温合金高温合金的切削加工特点高硬度材料导热性能差材料含硬质点材料高强度材料加工硬化严重与刀具亲和性大高塑性韧性材料刀具使用寿命短切削力大切削温度高加工表面质量差切屑处理困难9航空工业领域----高温合金高温合金难切削的原因材料中含有高熔点合金元素，如钛、镍、钴、钨、钒等它们相互结合，形成高硬度物质加速刀具磨损。材料具有高硬度、高韧性等特点，切削时表面加工硬化严重，切屑难于折断，因此切削力大，切削温度高。散热性能差，切削热无法快速导出。10航空工业领域----高温合金高温合金加工刀具失效形式扩散磨损边界磨损积屑瘤刀尖塑性变形月牙洼磨损刀尖塑性变形月牙洼磨损11航空工业领域----高温合金高温合金加工条件的选择1、合理的选择刀具材料高速钢：应选用高碳、含铝高速钢。硬质合金：应采用YG类硬质合金。最好采用含TaC或NbC的细颗粒和超细颗粒硬质合金。如YG8、YW4、YD15、YGRM、712等。陶瓷：在切削铸造高温合金时，采用陶瓷刀具也有其独特的优越性。2、刀具几何参数变形高温合金(如锻造、热轧、冷拔)。刀具前角γ0为10°左右；铸造高温合金γ0为0°左右。刀具后角一般α=10°～15°。粗加工时刀倾角λs为-5°～-10°，精加工时λs=0～3°。主偏角κr为45°～75°。刀尖圆弧半径r为0.5～2mm，粗加工时，取较大值。12航空工业领域----高温合金3、切削用量高速钢刀具：切削铸造高温合金切削速度Vc=3m/min左右，切削变形高温合金Vc=5～10m/min。硬质合金刀具：切削变形高温合金Vc=40～60m/min；切削铸造高温合金Vc=7～10m/min。进给量f和切削深度αp均应大于0.1mm，以免刀具在硬化后的表面进行切削，而加剧刀具磨损。陶瓷刀具4、切削液的选择粗加工时：采用乳化液、极压乳化液。精加工时：采用极压乳化液或极压切削油。铰孔时:采用硫化油85～90％+煤油10～15%，或硫化油(或猪油)+CCl4高温合金攻丝十分困难，除适当加大底孔直径外，应采用白铅油+机械油，或氯化石蜡用煤油稀释或用MoS2油膏。13刀具后刀面磨损VBmax(mm)00.20.40.60.811.21.41.61.803060110轴向切削长度(mm)YG6XJX-2-IIv=19.48m/minv=100m/min刀具磨损寿命：JX-2-II刀具切削火箭发动机电镀纯镍零件切削速度提高3-5倍，刀具寿命提高几十倍，表面粗糙度降低，被誉为“神刀”。航空工业领域----高温合金/14JX-2-I高速切削Inconel718：由于切削温度对工件材料加工硬化和高温强度屈服拐点的影响，存在一个使切削力降低的最佳切削速度范围。主切削力Fz(N)050100150200250300350400450406080100140180切削速度(m/min)切削温度：830ºC•Inconel718强度降低的拐点温度是800-850ºC•并非速度越低越好•最佳速度范围：90-120m/minInconel718加工特点：•切削温度高•变形抗力大•加工硬化严重航空工业领域----高温合金155-7°-6°Specialedgehone0°Specialedgehone5-11°MosteconomicalandfirstchoiceinInconel718ProblemsolverinhardenedInconel718航空工业领域----高温合金17ComponentComponentShaftMaterialInconel718forgedblankHardness35HRcOperationCopyTurningMachiningConditionGeometryCBN10=LCGN1604M0-0400E25-LFWC=LCMR1604M0-0400-MP,883CuttingspeedCBN10=170m/minWC=30m/minFeedrateCBN10/WC=0.2mm/revDepthofcutCBN10/WC=0.2mmCoolant=YesResultToollifeCBN10=12minsWC=10minsCuttingtimereducedbyupto85%withCBN10+improvedsurfacefinish航空工业领域----高温合金18AsforgedFinalcontour2.957.95ChamberwallsectionCBN10OperationToolmaterialCuttingspeedm/min.Feedratemm/rev.DepthofcutmmMachiningtimemins.Roughwhiskerceramic2500.20.5-0.910Semi-finish3500.250.56航空工业领域----高温合金19航空工业领域----钛合金国内主要钛合金种类1、发动机行业TA7——齿轮套，发动机外壳、叶片罩TA11——发动机叶片，陀螺仪导向罩，内蒙皮TC3——核心机叶片及叶轮2、航空业TA19/TC19强化钛合金——紧固件，导向装置，重要结构TA1、TA2、TA3——飞机骨架TC10——起落架，飞机承重架、紧固件20航空工业领域----钛合金钛合金占航空发动机全部材料的40％～60％。21航空工业领域----钛合金钛合金的性能特点比强变高：钛合金密度只有4.5g/cm3，比铁小得多，而其强度与普通碳钢相近。机械性能好：钛合金熔点为1660℃，比铁高，具有较高的热强度，可在550℃以下工作，同时在低温下通常显示出较好的韧性。抗蚀性好：在550℃以下钛合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被进一步氧化，对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、盐介质均有较高的抗蚀能力。钛合金的切削加工性600℃以上温度时，表面形成氧化硬层，对数控刀具有强烈的磨损作用。塑性低、硬度高，使剪切角增大，切屑与前刀面接触长度很小，前刀面上应力很大，刀刃易发生破损。弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面回弹量大，所以已加工表面与后刀面的接触面积大，磨损严重。22航空工业领域----钛合金钛合金车削加工钛合金车削易获得较好的表面粗糙度，加工硬化不严重，但切削温度高，刀具磨损快。针对这些特点，主要在数控刀具、切削参数方面采取以下措施：刀具材料：选用硬质合金刀具，以不含TiC的K类硬质合金为宜，细晶粒和超细晶粒的硬质合金更好，比如：YG6，YG8，YG10HT。刀具几何参数：合适的刀具前，较大的后角一般大于15°、刀尖磨圆；主偏角宜取小些，主偏角小于45°为好；精车及车削薄壁件时刀具主偏角要大，一般为75～90°。切削用量：较低的切削速度；适中的进给量和较深的切削深度。23航空工业领域----钛合金材料牌号状态切削性质切削用量ap(mm)f(mm/r)vc(m/min)TA1、TA2、TA3φ518mm铸锭粗车半精车8.0~15.0~5.00.5~1.00.3~0.550~10070~140TA1、TA2、TA3锻后粗车半精车5.0~10.0~5.00.3~0.80.3~0.535~5060~140TC3、TC4、TC6铸锭粗车半精车8.0~15.0~5.00.5~1.00.3~0.540~12050~120TC10铸锭粗车半精车5.0~10.0~4.00.2~0.40.1~0.3~20~30钛及合金铸锭切断—0.05~0.0918~52钛锭去除外皮的切削用量24航空工业领域----钛合金钛合金的铣削加工钛合金铣削比车削困难，铣削常见的问题是切屑易与刀刃发生粘结，形成崩刃。当粘屑的刀齿再次切入工件时，粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料，极大地降低了刀具的耐用度。铣削方式：一般采用顺铣。相对于通用标准立铣刀，前角应减小，后角应加大，铣削速度宜低。尽量采用尖齿铣刀，避免使用铲齿铣刀；刀尖应圆滑转接；大量使用切削液。刀具材料：宜采用K类硬质合金，也可选用钴高速钢和铝高速钢，比如：M42。铣削用量：切削速度——精加工增加切速增加散热恒定的不太小的进给——预防加工硬化大流量的冷却液——热稳定性改变主偏角（选择基体强大的圆刀片，也能有效地减少边解磨损）25航空工业领域----钛合金钛合金铣削粗加工刀具精加工刀具26航空工业领域----钛合金27航空工业领域----钛合金28航空工业领域----钛合金29航空工业领域----钛合金30航空工业领域----钛合金31航空工业领域----钛合金32航空工业领域----钛合金33航空工业领域----钛合金34航空工业领域----钛合金3536Pro/E建模有限元分析应力分析航空工业领域----钛合金37图1-6铣刀的温度分布图1-7不同轴向切深的温度场分布当轴向切深增大时，其切削温度不断升高，且升高趋势较为显著。球头铣刀应力分布发分析a)Doc=0.3mm(b)Doc=0.5mm(c)Doc=0.7mm图不同轴向切深的铣刀应力分布当轴向切深逐渐增大时，其刀具的应力也随之增大，并且最大应力位于主切削刃附近。384.2.1高速铣刀/刀柄系统的动力学测试方法分析图2-5实验所得三阶模态振型图结论利用试验模态分析方法对刀具/刀柄系统进行模态测试，得其结构模态参数，所测得模态参数与仿真参数拟合良好，并为刀具/刀柄动力学数学模型界定了初始参数。同时，该方法也为刀具/刀柄系