轻合金切削加工技术.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,轻合金切削加工技术,中国机械工业金属切削刀具技术协会,电力工业金属切削技术咨询部,前 言,轻金属是指密度小于,4.5g/cm,3,，化学性能活泼、提取较为困难的一类轻质有色金属，主要包括铝、镁、钛、铍、锂和钙等，可作结构材料，应用较为广泛的有铝、镁和钛及其合金。由于轻金属密度小、比强度、比模量高，且结构性能优异，已成为国民经济建设和国防建设中重要的战略物资之一，是飞机、舰船、坦克、装甲战车、火箭、导弹、飞船和卫星等重要的结构材料，也广泛应用于电子电气，机械制造和日用消费品等领域。,一、铝合金的切削加工性及合理切削条件,铝及其铝合金是现代工业用途最广泛的轻金属材料，铝最显著的特点是它的多功能性。,铝的密度只有,2.7g/cm,3,是非磁铁性的，铝及其合金外观好、质轻、可机加工、物理和力学性能好，且抗腐蚀性好，钝铝的机械强度不高，不,宜做受力结构零件，在铝中加入合,金元 素硅、铜、锰、镁等后形成,铝合金，提高了强度。铝合金广,泛应用于飞机、仪 表、发动机、,机械制造、轻化工等领域。,1.,铝合金的切削加工性,铝合金强度和硬度一般较低，塑性较小，对刀具磨损较小，且导热系数高，切削温度有限、化学磨损很小，属易加工材料，宜进行高速切削。但铝合金中的硬质相（如,Si,）的磨粒磨损也会造成刀具损坏。铝合金熔点较低、温升高后塑性增大，在高温高压作用下，刀屑界面摩擦很大，容易粘刀，形成积屑瘤，特别是退火状态的铝合金不易获得小的表面粗糙度值。,铝合金分为两大类：铸造合金和加工（变形）合金,防锈铝合金，含铜量少的锻铝（如,6Ao2,）强度低，塑性高，切削时易粘刀，使已加工表面粗糙度值大，切削加工性差。经冷变形后，切削加工性可得到改善。硬铝、超硬铝合金和含铜量较多的锻铝（,2A50,2A14,），由于生成脆性化合物（,CuAl,2,）分布于固溶体晶粒界面上，使韧性和塑性降低，具有良好的切削加工性。,铸造铝合金（含硅量在,4%,13%,之间），其金相组织为硅在铝内的固溶体和共晶体组成，硅成粗大的片状夹杂形态存在，在切削过程中对刀具有磨料作用，刀具容易磨损，切削加工性较差。若经球化处理，使片状硅球化，则可改善切削加工性。,2.,铝合金的合理切削条件,刀具材料及合理几何参数选择,铝合金具有极好的易切削加工特性，可采用很高的切削速度和进给速度进行加工，选用的刀具材料主要是聚晶金刚石（,PCD,）、涂层硬质合金或超细晶粒硬质合金刀具，常规切削用的硬质合金为,YG8,、,YG6,、,YG8N,等，,YG6,宜用于余量均匀条件下的连续粗加工和半精加工，,YG8,和,YG8N,用于铸铝件或负荷重的粗加工。精加工时，为避免由于铝与陶瓷的化学亲和力而产生粘结（切削氧化 即生成,Al,2,O,3,），一般不宜采用陶瓷刀具。复杂型面铝合金的高速切削加工，,也可用整体超细晶粒硬,质合金和粉末高速钢及,其涂层刀具。,铝合金强度和硬度较低，宜选用大的前角。粗车时取,0,=20,25,，精车时取,0,=25,30,，切削刃要求磨得锋利，刀面表面粗糙度值要小。由于铝合金的弹性模量小（约,70GMP,），只有,45,钢的,1/3,左右，由工件弹性恢复产生的后面摩擦更为严重。所以，应选取较大的后角，粗车时取,0,=8,10,，精车时取,0,=10,12,，刃倾角一般取,s=0,10,，粗加工取小值，精加工取大值。,切削用量,由于铝合金的强度和硬度较低，且导热性好，宜进行高速切削。与车削,45,钢相比，车削硬铝的切削速度可提高,3,倍以上。,冷却润滑,用聚晶金刚石（,PCD,）和硬质合金刀具粗加工铝合金一般可不用冷却润滑。用高速钢刀具切削时，一般都采用切削液冷却润滑。当切削用量较大和粗加工硅铝合金时，可用,5%,的乳化液，精加工时由于铝容易和氢起化学作用，使工件表面产生很细的针孔，不宜采用水基切削液。为减小摩擦和粘刀，一般常采用煤油或煤油加机油的混合油。,3.,铝合金切削加工实例,加工方式,工件及工件材料,切削参数,刀片种类,结论,精,铣,车辆汽缸体,AlSi17Cu4Mg,合金,u=800m/min,f=0.08mm/z,a,p,=0.5mm,需冷却液,晶粒平均尺寸,10m,、,12mm,正方,0,=12,使用,WC,基硬质合金刀具每个刃角只能加工,25,个工件，使用,PCD,可加工,500,个。,精,镗,凸轮轴轴承,AlSi17Cu4Mg,合金,u=250m/min,f=0.08mm/,a,p,=0.5mm,需冷却液,晶粒平均尺寸,10m,0,=11,刀尖半径,0.8mm,使用,WC,合金刀具，,每个刃只加工,75,件，,使用,PCD,，,可加工,3000,件。,汽缸孔,BS1490LM25,6.5,7.5%Si,u=312m/min,f=0.09mm/,a,p,=0.5mm,需冷却液,晶粒平均尺寸,10m,使用,WC,基合金每刃加工,50,件，使用,PCD,加工,9000,件。,铣,削,SAE305,低硅铝合金压铸凸轮箱（,50,75HBS,）,u=4579m/min,f=3800mm/min,a,p,=0.254,0.762mm,需冷却液,用硬质合金铣刀刀具寿命为,8h,，加工,700,1500,件,用,PCD,加工,9,万件。,加工方式,工件及工件材料,切削参数,刀片种类,结论,车,削,活塞环槽,(LM24,铝合金,),u=590m/min,f=0.2mm/,需冷却液,每把,PCD,刀可加工,2500,个。,精,车,硅铝合金活塞,裙部外圆,u=320m/min,f=0.20mm/,a,p,=0.20mm,需冷却液,YG8,车可加工,300,600,件。,PCD,（,Compax1600,）刀具为,2.5,5,万件,钻,削,20%,的硅铝合金,硬质合金钻,2000,孔,PCD,钻,30000,个孔,活塞式阀门,（,LM24,铝合金）,u=132m/min,f=380mm/min,每把,PCD,钻头可钻,5000,个孔,高速切削加工铝合金的刀具材料也可选用,YG,类硬质合金，涂层硬质合金或超细晶粒合金刀具。下表给出了超细晶粒硬质合金刀具使用冷却润滑液以,3770m/min,的切削速度高速铣削,5052,铝合金的其它加工参数和切削条件。,硬质合金刀具高速铣削铝合金的加工参数,加工方式,平面粗加工,键槽加工,侧面加工,刀具,6,刃,80,端铣刀,2,刃,10,键槽铣刀,2,刃,1,0,键槽铣刀,进给速度（,mm/min,）,40000,12000,6000,切削深度（,mm,）,1,0.5,20,切削宽度（,mm,）,50,10,0.5,二、钛合金的切削加工,钛在地壳中的含量为,0.63%,，居地球各种元素的第九位，钛及其合金的密度为,4.5g/cm,3,左右，仅为钢的,58%,。钛合金的比强度，比刚度高，抗腐蚀性能和接合性能良好，高温力学性能，抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。,目前，钛及其合金主要用于航空航天和军事工业上。据统计，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的,70%,左右。主要用于发动机构件和机架构件。在其他工业领域，钛及其合金主要用于火电厂冷却系统中的热变换器；油、气钻井用具及配件；化学化工部门中的防腐设备与器材；发电设备；环保与污染控制设备等，在现代工业中得到了越来越广泛地应用。,1.,钛合金的切削加工性,金属钛具有两种同素异晶形态，熔点为,16684,，沸点为,326020,，,882,为同素异构转变温度。,-Ti,是低温稳定结构（,882.5C,）属于密排六方晶格系，,-Ti,是高温稳定结构（,882.5C,）属于体心立方晶格系，由,-Ti,转化,-Ti,时，其体积增加,5.5%,。,钛合金分为六大类型：,型、近,型、马氏体,+,型，近亚稳定,型、亚稳定,型、稳定,型。,在航空难加工材料中，钛合金的切削加工性劣于奥氏体不锈钢而优于高温合金。一般说来，钛合金以,型的切削加工性最差，（,+,）型次之，,型 的切削加工性最好。,钛合金切削加工性较差的原因主要有：,导热、导温系数小，切削温度高,切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大,切屑呈挤裂状，加工表面易生成硬脆变质层,摩擦系数大，前刀面摩擦速度高,弹性模量小，屈强比大,此外，在微进给切削时还会产生燃烧现象，必须采取防火措施。,2.,钛合金的合理切削条件,钛合金硬度在,HBS300,以上时用传统切削加工是较难加工的材料，困难的原因并不在于硬度方面，而在于钛合金本身的力学、化学、物理性能间的综合。由于钛合金切削时变形系数很小，切削温度高，加工表面易生成硬脆变质层，粘刀严重，后刀面剧烈磨损，要想有效切削钛合金，必须针对其特点，正确选择刀具材料和刀具几何参数，优化切削用量并使用性能好的切削液及有效的浇注方式。,刀具材料及合理几何参数选择,刀具材料的选择,切削钛合金必须选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、抗粘结，抗扩散、抗氧化性能好的刀具材料。,加工钛合金可选用不含或少含,TiC,的硬质合金刀具，大量实验证明，选用,YG,（,K,）类硬质合金加工钛合金效果最好。如：,YG3,、,YG8,、,YG6X,、,AG6A,及,813,、,YD15,、,YG10H,等牌号。,YT(P),类硬,质合金加工钛合金,时磨损严重，效果,不好。普通涂层刀,具加工钛合金时磨,损也较为严重。,用高速钢加工钛合金时宜选用含钴、铝或高钒高速钢，如,W2Mo9Cr4Co8,、,W6Mo5Cr4V2AL,、,W10MoCr4V3AL,、,W12Cr4V4Mo,等。虽然陶瓷刀具材料被广泛用来加工各种难加工材料，特别是高温合金材料如镍基合金，但由于导热性差，断裂韧性小和对钛的化学活性，陶瓷刀具很少被用来加工钛合金。聚晶金刚石（,PCD,）刀具已被用来高速加工钛合金，切削速度：,V=180-220m/min,，进给速度：,f=0.05m/min,，切削深度：,0.5mm,，效果较好。用天然金刚石，采用乳化液冷却时，切削速度可达,200m/min,以上，但成本太高，其应用受到限制。,刀具几何参数选择,前角,0,和刃倾角,s,：,硬质合金车刀一般可取,0,=4,8,；,s=0,5,；负倒棱,b,r1,01,=(0.05-0.3)(,0,-10),；,后角,0,：硬质合金车刀取,0=,10,15,主偏角,r,和副偏角,r,：,硬质合金车刀可取,r=30,75,；,r=5,15,切削用量,切削用量的选择应尽量使切削温度接近最佳切削温度。用硬质合金刀具切削钛合金时的最佳温度为,650,750,；高速钢刀具切削时为,480,540,。由于钛合金导热系性能差，对刀具磨损 严重，一般宜采用较低的切削速度和较低的切削深度和进给量。为防止切屑太薄而引起自燃，一般进给量不小于,0.05mm/,。,3.,钛合金切削加工实例,TC4,钛合金车削加工,刀具材料：,YS2,几何参数：粗加工：,0,=0,5,，精加工,0,=0,3,；,负倒棱,b,r1,01,=(0.050.1)(-2-3),；,0=,10,12,，,0=,8,12,r=45,；,r=12,，,s=3,5,切削用量：,粗车：,ap-2-5mm,，,f=0.2-0.8mm/,，,Uc=40-50m/min,；,精车：,ap=1-2mm,，,f=0.075-0.15mm/,，,Uc=65-85m/min,。,三、镁合金的切削加工性及合理切削条件,镁是具有银白色金属光泽的金属，化学性质活泼，在空气中由于氧化而迅速变暗。纯镁的密度为,1.738g/cm,3,，是轻金属的一种，在镁中添加不同合金元素，可以形成具有不同性能和用途的镁合金。镁合金是目前世界上最轻质的商用金属工程结构材料。,镁合金是减轻武器装备重量，实现武器装备轻量化，提高武器装备各项战术性能的理想结构材料。镁合金在军事上的应用过去主要是在航空领域，近年来，镁合金及镁基复合材料已逐步在武器和弹药上得到成功应用，发展十分迅速。,镁合金的切削加工,镁合金切削加工涉及的范围包括：压铸镁合金,AZ91B,（,AC91D,）；重力铸造镁合金,AZ91C,（,AC91E,）和,AZ92A,；变形镁合金,AZ31B,、,AZ61A,、,AZ80A,、,ZK21A,和,ZK60A,。,镁合金切削力小，切削能耗低，切削过程中发热少，切削易断，刀具磨损小，寿命显著延长，因此，加工镁合金可进行高速，大切削量切削，这在一定程度上抵消了镁合金价格较高的弱点，原则上任何刀具材料，包括普通碳素钢都 可以用于加工镁合金，大批量切削加工时，一般选用硬质合金刀具，金刚石刀具主要用在表面质量要求较严的情况下切削。但镁合金燃点低（,650,）在加工中必须用矿物油进行强力冷却，并把切屑迅速从加工区运走。另外，高速切削时，镁合金有粘结刀具表面形成积屑瘤的倾向，影响已加工表面粗糙度。由此可见，镁合金的切削速度主要受限于积屑瘤和工件材料本身的易燃性。,四、其它轻金属合金的切削加工,铍的特性使它成为许多关键性航空航天设备中的应用材料，其密度只有,1.855g/cm,3,铍也是航空航天用材料中比热最大的一种金属，达,1830J/,（,k,g,）；铍的熔点温度高达,1285,，室温下热膨胀系数是,11.510,-6,/,，热导热率为,165W/,（,m,k,）。铍材的类型分为结构级铍材，仪表级铍坯，铍片，广泛应用于国防工业的惯性陀螺仪，飞行器制动系统，导弹高速飞行器等和导航光学部件。铍是种很容易切削加工的材料，可以用普通的硬质合金刀具切削，砂轮纵向切削。铍部件由于其刚度大，能抗住加工时切削力产生致偏现象，从而保证精度。切削加工时易使表面受损，必须进行浸蚀加工，以除去损伤表面层，或者进行退火处理以达减少加工损伤的目的。,锂的密度只有铅的,20%,，铅中加入锂制成铅锂合金，也叫巴比轴承合金，是一种高级耐磨材料，锂铝合金和镁锂合金既轻又硬，耐磨，加工性能好，而且耐低温，又能抗高速粒子冲击，已用作卫星、宇宙飞船和飞机的结构材料，用硬质合金及高速钢刀具可以切削加工。,谢谢大家,