鈦合金機(jī)械加工表面質(zhì)量的故障分析與研究

陳璽媛 曾凡華

鈦合金是一種20世紀(jì)50年代興起的重要金屬結(jié)構(gòu)材料，近年，鈦會(huì)金正廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，開發(fā)出的鈦合金產(chǎn)品幾乎滲透到，現(xiàn)代生活衣食住行各個(gè)方面。

1常見故障分析

在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，鈦合金機(jī)械加工表面質(zhì)量常見故障有過腐蝕、掛灰、氧化皮未除盡及條紋狀花斑幾種。

1.1過腐蝕

過腐蝕是指酸洗后鈦合金表面出現(xiàn)麻坑或凹凸不平等缺陷，和材料組織顯露有所區(qū)別。一般導(dǎo)致過腐蝕缺陷的原因是氫氟酸和硝酸的比例失調(diào)，氫氟酸濃度過高或者硝酸濃度不足均可導(dǎo)致該缺陷出現(xiàn)，另一個(gè)原因就是酸洗時(shí)間過長(zhǎng)，一般酸洗t為1mm～4min，可以根據(jù)操作現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整工藝參數(shù)，適當(dāng)縮短酸洗時(shí)間。

1.2掛灰

掛灰是指酸洗后鈦合金表面附著的氧化物，酸洗時(shí)由干鈦合金和酸液進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的氧化物積累在表面，阻止了反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生。掛灰的缺陷一般是由酸洗時(shí)掛灰沉積過多和酸洗后沖洗不夠。酸洗時(shí)應(yīng)不斷晃動(dòng)零件，使反應(yīng)后的產(chǎn)物從鈦合金表面脫落，酸洗后應(yīng)加強(qiáng)噴淋或沖洗的辦法去除掛灰。國(guó)內(nèi)一般采取壓縮空氣和自來(lái)水混合的高速水流沖洗零件，效果良好。

1.3氧化皮未除盡

導(dǎo)致該缺陷的原因比較多，各個(gè)工序均有可能。有可能除油不良，或者熔融鹽處理時(shí)間不夠，或者酸洗溶液失效。出現(xiàn)該缺陷時(shí)，應(yīng)該逐一排除各種可能因素，在必要的時(shí)候，可以在前處理增加噴砂工序。

1.4條紋狀花斑

導(dǎo)致該缺陷的原因一般是由于反應(yīng)不均勻造成的?？梢酝ㄟ^酸洗時(shí)晃動(dòng)零件和降低酸洗液溫度來(lái)排除。除了以上幾種缺陷，有時(shí)還會(huì)發(fā)現(xiàn)酸洗后檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品，經(jīng)過一段時(shí)間后，表面出現(xiàn)花斑的現(xiàn)象。對(duì)于此種現(xiàn)象，現(xiàn)在研究比較少，可能是由于酸洗后表面有殘留酸液或后續(xù)生產(chǎn)帶入的腐蝕性介質(zhì)存在，在應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的，在微觀檢測(cè)下與一般腐蝕形態(tài)有所區(qū)別，一般來(lái)說不影響其使用性能，可通過再次酸洗的方法去除，但是受力件要加強(qiáng)二次酸洗后的除氫處理。

2影響鈦合金機(jī)械加工性能的因素

導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量、化學(xué)活性及合金類型和顯微組織是影響鈦合金機(jī)械加工性能的主要因素。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，約為鐵的1／3，機(jī)械加工時(shí)產(chǎn)生的熱量很難通過工件釋放；同時(shí)由于鈦合金比熱小，加工時(shí)局部溫度上升快，因此。容易造成刀具溫度很高，使刀尖急劇磨損，使用壽命降低。實(shí)驗(yàn)證明，切削鈦合金的刀具前端溫度比切削鋼的溫度高2-3倍。鈦合金彈性模量低，使已加工表面容易產(chǎn)生回彈，特別是薄壁零件的加工回彈更為嚴(yán)重，易引起后刀面與已加工表面產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，從而磨損刀具和崩刃。鈦合金化學(xué)活性很強(qiáng)，高溫下極易與氧、氫、氮發(fā)生作用，使其硬度增加，塑性下降，在加熱和鍛造過程中形成的富氧層的機(jī)械加工困難。鈦合金的合金成分不同，其加工性能也不一樣，在退火狀態(tài)下，a型鈦合金機(jī)械加工性能較好；a+β型鈦合金次之；β型鈦合金強(qiáng)度高，淬透性好，但機(jī)械加工性能最差。

鑒于上述情況，為了進(jìn)行鈦合金高效率、高精度的機(jī)械加工，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，避免加工中缺陷的產(chǎn)生。

3鈦合金各種機(jī)械加工的研究

鈦合金機(jī)械加工的方法很多，主要包括：車削、銑削、鏜孔、鉆削、磨削、攻絲、鋸削、電火花加工等。、

3.1鈦合金的車削加工及鏜孔

車削鈦合金的主要問題是：切削溫度高；刀具磨損較嚴(yán)重；切削回彈大。在合適的機(jī)械加工條件下。車削和鏜孔并不是特別困難的工序。對(duì)于連續(xù)切削、大批量生產(chǎn)或金屬去除量大的切削，一般都采用硬質(zhì)合金刀具，當(dāng)進(jìn)行成型切削、車槽或切斷時(shí)，適合用調(diào)整鋼刀具，金屬陶瓷刀具也得到應(yīng)用。同其他機(jī)械加工操作一樣，始終采用恒定的強(qiáng)制進(jìn)刀，可以避免切削中斷。切削過程中不要停止或減速。一般不要進(jìn)行切削，而應(yīng)進(jìn)行充分冷卻；冷卻劑可采用5％硝酸鈉水溶液或1／20可溶性油乳狀水溶液。鍛造前，車削原始棒料表面富氧層采用硬質(zhì)合金刀具，其切削深度應(yīng)大于富氧層厚度，切削速度為20～30m／min，進(jìn)給量為0.1～0.2mm／r。鏜削是精加工，特別是對(duì)薄壁鈦合金產(chǎn)品在鏜削加工中，應(yīng)防止燒傷和零件裝夾變形。

3.2鈦合金的鉆削加工

鉆削鈦合金時(shí)容易生成長(zhǎng)而薄的卷曲切屑，同時(shí)鉆削熱量大，容易使切屑過分堆積或粘附在鉆削刃上，這是造成鉆削鈦合金困難的主要原因。鉆孔要采用短而鋒利的鉆頭和低速?gòu)?qiáng)制進(jìn)給，支撐支架要緊固，并要給以重復(fù)充分冷卻，尤其是深孔鉆削。鉆削過程中鉆頭在孔內(nèi)應(yīng)保持鉆削狀態(tài)而不允許在鉆孔內(nèi)空轉(zhuǎn)，并應(yīng)保持低而恒速的鉆削速度。鉆通孔要仔細(xì)，當(dāng)快要鉆通時(shí)，為了清理鉆頭和鉆孔，及去除鉆屑，最好退回鉆頭，最終破孔時(shí)采用強(qiáng)制進(jìn)給，這樣可以獲得光滑的孔。

3.3鈦合金的攻絲

鈦合金的攻絲可能是最困難的機(jī)械加工工序。攻絲時(shí)，鈦屑排除受限制及嚴(yán)重的咬合傾向?qū)?dǎo)致螺紋配合不好，致使絲錐卡住或斷裂。在攻絲完成時(shí)，鈦合金傾向干緊縮在絲錐上。因此，應(yīng)盡量避免加工盲孔或過長(zhǎng)的通孔，以防止內(nèi)螺紋表面粗糙度變大或斷錐現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時(shí)，在攻絲方法上要不斷改進(jìn)，如可以磨去絲錐后緣。沿齒刃長(zhǎng)度在齒頂磨制軸向的排屑溝等。另一方面采用表面經(jīng)過氧化、氧化或鍍鉻處理的絲錐，以降低咬合及磨損。

3.4鈦合金的鋸割加工

鋸割鈦合金時(shí)，要采用低的表面速度和連續(xù)強(qiáng)制進(jìn)料。實(shí)驗(yàn)證明，齒距為4.2mm～8.5mm的粗齒高速鋼鋸條適用于鋸鈦合金。若用帶鋸鋸鈦合金，其鋸條齒距由工件厚度決定，一般為2.5mm～25.4mm，材料厚度愈厚，齒距愈大。同時(shí)必須保持強(qiáng)制進(jìn)料能力和所需的冷卻劑。

3.5鈦臺(tái)金的電火花加工

鈦合金的電火花加工要求工具與工件間有—個(gè)操作間隙。間隙范圍最好取在0.005mm0.4mm，較小的間隙常用于要求表面光滑的精加工，較大間隙則用于要求迅速去除金屬的粗加工。電極材料最好選用銅和鋅。

通過上述分析與研究，得出了鈦合金機(jī)械加工表面質(zhì)量的故障原因，并對(duì)加工過程中的多種方法進(jìn)行分析，從而為解決鈦合金機(jī)械加工表面質(zhì)量問題找出了切實(shí)可行的辦法。