九游娱乐：钛合金切削加工中的刀具磨损机理及控制方法
编辑：小编 日期：2024-11-20 01:56 / 人气：
摘要：本文讨论了钛合金特性（例如高温下的高强度和低导热系数）对刀具磨损的影响。它还研究了切削过程中的高温和高压、摩擦和热影响区对刀具磨损机制的影响。为了应对这些挑战，本文提出了几种控制方法，包括选择合适的刀具材料和涂层技术，优化切削参数以降低切削温度和力，使用冷却和润滑液以最大限度地减少刀具摩擦和磨损，以及定期检查和更换刀具以保持锋利度和形状。这些策略旨在提高钛合金加工中的刀具寿命和效率。
钛合金以其卓越的强度重量比、耐腐蚀性和耐高温能力而闻名。然而，正是这些特性使钛合金在航空航天、医疗和汽车工业中的应用具有优势，这也给加工带来了重大挑战，特别是在刀具磨损方面。钛合金的高强度，即使在高温下，也会导致切削力增加，从而加速刀具磨损。此外，钛合金的低导热性将产生的热量限制在切削区域，加剧了高温导致的刀具磨损。在加工钛合金时，由于钛合金在高温条件下容易焊接到切削刀具上，因此粘合剂磨损机制非常明显。这种现象会导致刀具上形成积聚边缘，改变刀具几何形状并对工件的表面光洁度产生负面影响。此外，钛合金的化学反应性会导致扩散磨损，其中刀具材料的元素会迁移到工件中，从而进一步削弱刀具。
钛合金的切削过程本身就涉及高温和高压，这会显着影响刀具磨损。刀具-工件界面处产生的强烈热量会软化刀具材料，降低其硬度和耐磨性。此外，切削区的高压环境会导致刀具发生塑性变形，尤其是在应力集中度最高的切削刃处。热疲劳磨损是另一个需要考虑的关键方面。加工过程的周期性意味着切削刀具反复经历快速的加热和冷却循环。这些热循环会在刀具材料中引起微裂纹，导致刀具过早失效。随着时间的流逝，刀具材料在高温下氧化的氧化磨损现象进一步导致刀具退化。
切削刀具和工件材料之间的相互作用涉及显着的摩擦，特别是在钛合金的情况下，钛合金具有很高的磨损和粘附倾向。这种摩擦不仅会产生热量，增加工具上的热负荷，还会导致磨料磨损，即从工件或工具本身脱落的硬颗粒会磨损工具表面。热影响区 （HAZ） 是工件材料的一个区域，虽然不直接参与材料去除，但会受到切削过程中产生的热量的影响。HAZ 中材料的特性可能会发生变化，从而影响切削力和刀具的磨损率。例如，如果 HAZ 中的材料变得更硬或更具磨蚀性，则在随后的切削过程中，当刀具通过该区域时，它会增加刀具磨损。
刀具磨损控制的基石在于选择合适的刀具材料，刀具材料应具备高热硬度、韧性、耐磨性和抗热冲击性等特性。为满足这些要求，已经开发了先进的工具材料，如碳化物、陶瓷、金属陶瓷、多晶金刚石 （PCD） 和多晶立方氮化硼 （PCBN）。这些材料中的每一种都提供了适合加工钛合金的性能平衡，其中碳化物是最常见的，因为它们具有良好的性能成本比。然而，对于要求更高的应用，陶瓷、PCD 和 PCBN 具有卓越的耐磨性和热稳定性。涂层技术进一步提高了切削刀具的耐磨性和使用寿命。氮化钛 （TiN）、碳氮化钛 （TiCN）、氧化铝 （Al2O3） 和类金刚石碳 （DLC） 等薄而硬的涂层应用于工具表面，以减少磨损和摩擦。这些涂层充当屏障，保护刀具材料不与工件直接接触，从而减少粘合剂和磨料磨损。涂层的选择取决于加工应用和被加工材料；例如，Al2O3 涂层由于其出色的隔热性能而对高温应用特别有效。
优化切削参数，包括切削速度、进给速度和切削深度，对于最大限度地降低切削温度和力，从而减少刀具磨损至关重要。较低的切削速度可以降低切削区的温度，从而降低热磨损的风险，而较高的进给速度可以减少刀具与工件之间的接触时间，从而减少粘合剂磨损的机会。但是，必须仔细平衡这些参数，以避免可能导致刀具断裂或变形的过大切削力。切削参数的优化通常是通过实验研究和加工理论和模型的应用相结合来实现的，其目标是确定一组条件，以最少的刀具磨损实现最有效的材料去除率。
冷却和润滑液的应用通过减少加工过程中产生的摩擦和热量，在控制刀具磨损方面起着关键作用。这些流体可以显著降低切削温度，从而保护刀具免受热降解，并减少材料粘附在刀具上的趋势。此外，润滑最大限度地减少了刀具和工件之间的金属与金属的直接接触，从而减少了磨料和粘合剂的磨损。有各种类型的冷却和润滑技术，从溢流冷却到更高级的方法，如微量润滑 （MQL） 和低温冷却。MQL将最少量的润滑剂直接输送到切削区，减少浪费和环境影响，而低温冷却（通常使用液氮）可以在涉及钛合金等具有挑战性的加工操作中有效控制温度。
定期检查和及时更换刀具对于保持刀具的锋利度和几何形状至关重要，这对于加工零件的精度和质量至关重要。钝器或形状不正确的刀具会导致切削力增加、温度升高，从而加速刀具磨损和表面光洁度差。实施定期维护计划，包括例行检查和使用磨损监测技术，可以帮助确定工具何时接近其使用寿命。除了目视检测外，现代制造环境还越来越多地使用自动化刀具状态监测系统，该系统可以检测切削力、振动或声发射的细微变化，表明刀具磨损或故障。这些系统可实现主动更换工具，最大限度地减少停机时间并避免对工件或机器的潜在损坏。
钛合金的加工呈现出材料特性和加工动力学的复杂相互作用，导致严重的刀具磨损。了解刀具磨损背后的机制对于制定有效的控制策略至关重要。通过选择合适的刀具材料和涂层，优化切削参数，采用先进的冷却和润滑技术，并通过定期检查和更换来维护刀具，制造商可以显着提高刀具寿命和加工效率。这些控制方法不仅有助于加工操作的可持续性，而且确保了加工部件的质量和精度。未来的研究应继续探索创新材料和技术，以进一步提高钛合金等具有挑战性材料加工中的刀具性能。
[1]林海生，王成勇，李伟秋等.钛合金绿色切削加工工艺优化研究[J].工具技术，2023，57（12）：15-20.
[2]王正东，蔡霞，杨嵩.钛合金冷切削加工实践研究[J].四川冶金，2023，45（05）：60-63.
[3]李松原，李顺才，刘志等.钛合金切削温度-振动相关性及加工优化研究[J/OL].机械科学与技术，1-10[2024-02-09].