影响航天航空用材料切削加工性能因素分析及其改善的技

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1、《航天用特殊材料加工技术》课程大作业题目：影响航天航空用材料切削加工性能因素分析及其改善的技术途径姓名：______________学号:___授课教师：_______得分哈尔滨工业大学航空宇航制造系2012年11月日影响航天航空用材料切削加工性能因素分析及其改善的技术途径航空宇航新材料是新型航空航天器和先进导弹实现高性能、高可靠性和低成本的基础和保证。航天飞机的结构重量减轻1kg，其发射成本可降低15000美元。因此,在航天领域中,广泛选用具有特殊性能的新材料,如具有高比强度、高比刚度、尺寸稳定性好的先进复合材料,或重量轻、强度高耐

2、热或抗低温、抗腐蚀和加工成型性好的高性能合金,以及一些特殊性能的功能材料。体现在飞行器上这些特殊材料主要包括如下几种：铝合金、超高强度钢、钛合金、复合材料、高温合金、陶瓷材料，以及一些特殊功能材料等。对于以上所提到的各种材料，有的要求在高温、高应力状态下工作，有的要求耐腐蚀，耐磨损，有的要求能绝缘，有的则需要高导电率。由于这些材料的特殊性，如高硬度、高强度、大塑性和大韧性、小塑性和高脆性、低导热性、有微观硬质点或硬质夹杂物、化学性能过于活泼等，使得这些材料在切削加工过程中切削力增大，切削温度升高，道具使用寿命缩短，有时还会是加工表面质

3、量恶化，切削难以控制及处理，最终将使生产效率和加工质量下降。根据研究表明，影响材料切削加工性能的因素主要为如下几方面：1.被加工材料物理力学性能能的影响。2.被加工材料化学成分的影响。3.热处理状态及金相组织的影响。航天用特殊材料多属于难加工材料，其加工特点主要有如下表现：①刀具使用寿命短；②切削力大；③切削温度高；④加工表面粗糙，不易达到精度要求；⑤切削难以处理。为改善其切削加工性，一般有两个途径：1.采取是适当的热处理方法或改变材料的化学成分，改善材料本身的切削加工性；2.创造有利的加工条件，使得加工顺利进行，如选用良好性能的刀具

4、材料和切削液，合理的选择刀具结构、几何参数和切削用量等。3.采用机械加工新技术新工艺，如高速与超高速切削技术，振动切削与磨削技术，加热辅助切削和低温切削技术，磁切削技术，真空或惰性气体保护及绝缘切削技术。下面以航天用钛合金为例，具体分析影响航天航空用材料切削加工性能因素分析及其改善的技术途径。钛合金切削性能的因素分析：作为航天领域不断兴起的材料钛合金外观近似于钢，呈银灰色，具有光泽，钛合金主要特点如下。1.比强度（强度/密度）高。常用的α+β型钛合金强度σb=1010~1177MPa，密度为4.5g/cm3，而合金钢的强度σb可达到1

5、275~1569MPa，密度为7.9g/cm3。钛合金的比强度远大于其他金属结构材料，可制造出单位强度高、刚性好、质量轻的零部件。2.热强度高。钛合金的热稳定性好，高温强度高，在300~500℃下，其强度约比铝合金高10倍，工作温度可达500℃。常用的Ti6Al4V钛合金能在350℃下长期工作。3.抗蚀性好。钛合金在潮湿大气和海水介质中工作，其抗蚀性优于不锈钢，对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力很强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优越的抗腐蚀能力，是普通不锈钢的15倍。4.导热性差。钛的导热系数很低（λ=15.24W/（m·K

6、）），约为镍的1/4，Fe的1/5，铝的1/14。各种钛合金的导热系数更低，一般约为钛的50%。5.弹性模量小。如钛合金TC4的弹性模量为110GPa，约为钢的l/2，故钛合金容易产生弹性变形。根据表1.6《被加工材料切削加工性分级表》，硬度高于250HBS、强度、伸长率、冲击韧性、导热系数者均属于难加工材料。对于钛合金。很明显属于难加工材料，其切削加工特点为：（1）切屑与前刀面接触面积小、刀尖应力大、温度高。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3~3/4，但由于钛合金切屑与刀具前刀面的接触面积更小，只有45钢的1/2~2/3，

7、导致刀具承受的应力反而更大，是45钢的1.3~1.5倍，温度可为45钢的2倍，从而使得刀尖和切削刃容易磨损。（2）摩擦系数大。在相同条件下，钛合金材料与普通碳钢相比，其摩擦系数大，切屑流经前刀面时所作的摩擦功大，导致摩擦界面温度更高，使刀具易于磨损。（3）化学活性高。钛合金高温时化学活性很高，能与空气中的氧、氮和水蒸气等发生化学反应，在钛合金表面生成硬化层，导致工件硬度大幅度提高，同时降低了工件塑性并且使切屑与前刀面的接触长度进一步减少，导致刀具磨损加快。（4）热传导率低。钛合金的导热系数分别只有铁的1/5、铝的1/14，加之刀具与切

8、屑的接触长度短，使得切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，导致刀具温度过高，加快了刀具的磨损。（5）弹性模量小。由于钛合金弹性模量小、屈强比大，使得工件的己加工表面在切削过程中极易产生回弹，容易造成刀具的后刀面磨损