鈦合金車削加工技術(shù)

摘 要：鈦合金具有比重小、熱強度高，抗腐蝕性好等特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工等行業(yè)，但鈦合金零件的車削加工卻非常困難、加工效率低。本文探討了鈦合金的車削加工措施，對如何加工這種用途廣泛的難加工材料將有所幫助。

關(guān)鍵詞：鈦合金材料 切削加工 刀具材料 刀具幾何參數(shù)

中圖分類號：TG5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0128-01

鈦合金具有比重小、熱強度高、抗腐蝕性好等特性，但鈦合金零件的車削加工卻非常困難，加工效率低。所以怎么樣攻克鈦合金加工難，效率低。我們對鈦合金的性能在車削加工中的影響進(jìn)行了研究分析，得出了以下鈦合金車削加工策略，并在實際加工中取得了良好的效果。

1 鈦合金材料的類型及性能

1.1 鈦合金的類型

鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882 ℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882 ℃以上為體心立方的β鈦。利用鈦的兩種結(jié)構(gòu)的不同特點，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，使其得到不同組織的鈦合金（titanium alloys）。按基本組織分為以下三類：α合金鈦，（α+β）鈦合金和β鈦合金，分別以TA、TC、TB表示。

1.2 鈦合金的性能

1.2.1 強度、熱強度高

鈦合金的密度大，強度高。因此鈦合金的比強度（強度/密度）遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料。鈦的熔點為166 ℃，具有較高的熱強度，可在550 ℃以下工作。

1.2.2 抗腐蝕性好

在500 ℃以下鈦合金，鈦合金易形成致密的氧化膜，故不易被進(jìn)一步的氧化。對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強；對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。

1.2.3 導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小

49930d24f069f2e2d7c608d6e058c816b9f1a9c903d517035d18cd44392a91c8鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)平均是工業(yè)純鈦的一半。彈性模量約為鋼的1/2，彈性模量小。

1.2.4 化學(xué)活性大

鈦的化學(xué)活性大，與大氣中O、N、H、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2%時，會在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC；溫度較高時，與N作用也會形成TiN硬質(zhì)表層；氫含量上升，也會形成脆化層。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。

2 影響鈦合金切削加工的因素

（1）熱導(dǎo)系數(shù)小，散熱條件不好，導(dǎo)致切削溫度升高，加快刀具磨損，降低使用壽命。

（2）溫度達(dá)到600 ℃以上時，形成氧化層，對刀具具有強烈的磨損作用。

（3）鈦合金彈性模量小，加工時在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損并影響工件的精度。

（4）鈦的化學(xué)活性大，在高的切削溫度下，易于相接觸的金屬發(fā)生親和，導(dǎo)致粘結(jié)、擴散，加劇刀具磨損。

3 鈦合金材料切削加工普遍原則

根據(jù)鈦合金的特點和切削加工中的出現(xiàn)的問題，加工時需要考慮以下因素：

（1）切削速度不宜太高。實驗表明切削速度越高，切削溫度會隨之增加，直接影響刀具的磨損和壽命。因此，要選擇合適的切削速度。

（2）切削深度可較大。切削深度對切削溫度影響較小，所以在合理選擇切削速度的前提下，盡量增大切削深度，可以使刀具的刀尖在硬化層下工作，提高刀具的耐用度。

（3）工藝系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的強度。機床主軸應(yīng)具有較小的間隙，跳動量??；刀具伸出不易過長，保持有足夠的強度；夾具夾緊力要適當(dāng)，不易過大防止變形。

（4）加注充分的冷卻液。由于鈦合金在加工過程中，溫度很高，化學(xué)活性大。在微量切削時，易出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，所以必須加注充分的切削液。常用的切削液有乳化液和極壓水溶性切削液。

4 刀具材料、幾何參數(shù)及切削用量的選擇

4.1 刀具材料的選擇

由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，塑性低，易出現(xiàn)加工硬化等，所以切削加工鈦合金時應(yīng)從降低切削溫度和減少粘結(jié)兩方面出發(fā)，選用紅硬性好、抗彎強度高、導(dǎo)熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料，一般選用硬質(zhì)合金刀具。常用的硬質(zhì)合金刀具材料有YG8、YG3、YG8W、YG10H、YG6A、YS2T、YGRM和YD15等。

（1）粗加工時，應(yīng)選擇YG8、YG8W、YG10H、YG6A等。

（2）精加工時，切削量較小，可以選用YG8W、YD15等。

4.2 刀具幾何參數(shù)及切削用量選擇

以外圓車刀為例。

粗加工時，前角選擇3°～7°，后角為8°～15°，刀尖圓弧半徑為0.5～1.0 mm；切削速度25～38 m/min，切削深度3～5 mm，進(jìn)給量0.3～0.5 mm/r。

精加工時，前角選擇10°～15°，后角為8°～15°，刀尖圓弧半徑為0.3～0.5mm；切削速度50～75 m/min，切削深度0.2～0.5 mm，進(jìn)給量0.1～.0.15 mm/r。

4.3 其它參數(shù)選擇

（1）磨出0.05～0.1 mm的負(fù)倒棱，增強切削刃強度。

（2）粗車時，刃傾角λ=-3°～-5°，精車時刃傾角λ=-3°～0°。

5 鈦合金車削時的注意事項

（1）由于鈦合金的彈性模量小，工件在加工中的夾緊變形和受力變形大，會降低工件的加工精度；工件安裝時夾緊力不宜過大，必要時可增加輔助支承。

（2）車削外圓時，刀具刀尖不能高于工件中心，防止出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象。

（3）不能使用含氫的切削液。 如果使用含氫的切削液，須采取安全防護措施，同時切削后應(yīng)及時用不含氯的清洗劑徹底清洗零件。

（4）在車削薄壁工件和精加工時，刀具的主偏角不易過小。

（5）經(jīng)清洗過的鈦合金零件，要防止油脂或指印污染，防止造成鹽的應(yīng)力腐蝕。

6 結(jié)論

綜合考慮鈦合金的性能對車削加工的影響，為了成功實現(xiàn)鈦合金的車削加工，關(guān)鍵是選擇合理的刀具材料；合理的刀具幾何參數(shù)；盡可能選擇低的切削速度、較大的切削深度以及進(jìn)給量，并加注充分的冷卻液，最終將會取得良好的加工效果。

參考文獻(xiàn)

[1]周廉，趙永慶，王向東.中國鈦合金材料及應(yīng)用發(fā)展戰(zhàn)略研究[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]韓榮第，金遠(yuǎn)強.航天用特殊材料加工技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[3]鄭文虎.難切削材料加工技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[4]陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.