鈦合金零件加工工藝方法分析

劉艷琳（中航工業(yè)哈飛工裝廠，哈爾濱　150066）

鈦合金零件加工工藝方法分析

劉艷琳
（中航工業(yè)哈飛工裝廠，哈爾濱150066）

鈦合金機(jī)械性能優(yōu)良，而工藝性能較差，這就導(dǎo)致了其應(yīng)用前景看好但加工較為困難這一矛盾。本文通過分析鈦合金材料的金屬切削性能，結(jié)合多年實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，在加工鈦合金刀具的選用、切削速度的確定、不同切削方法的特點(diǎn)、加工余量及加工注意事項(xiàng)等多方面進(jìn)行了探討，闡明了本人對(duì)鈦合金機(jī)械加工方面的見解和建議。

鈦合金；機(jī)械性能；工藝方法；材料

0　引言

鈦合金密度低、比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）高、抗腐蝕性能好、耐熱性高、韌性、塑性、可焊性均較好，目前在航空航天、汽車、醫(yī)學(xué)、體育用品及電解工業(yè)等許多領(lǐng)域均已大量使用鈦合金。但導(dǎo)熱性能差、硬度高、彈性模量低等特性也導(dǎo)致鈦合金成為較難加工的金屬材料。本文是針對(duì)其工藝特性總結(jié)出的鈦合金切削加工中的一些工藝措施。

1　鈦合金材料的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）鈦合金強(qiáng)度高而密度小（4.4kg/dm3）、重量輕，為一些大型結(jié)構(gòu)件減輕重量提供了解決方案。

（2）熱強(qiáng)性高。鈦合金在400～500℃條件下仍能維持較高的強(qiáng)度，可以穩(wěn)定的工作，而鋁合金的工作溫度只能在200℃以下。

（3）與鋼材相比鈦合金固有的高耐蝕性可以節(jié)省飛機(jī)日常運(yùn)行和維護(hù)保養(yǎng)的成本。

2　鈦合金加工特性分析

（1）導(dǎo)熱系數(shù)低。TC4在200℃時(shí)熱導(dǎo)率l=16.8W/m·℃，導(dǎo)熱系數(shù)是0.036卡/厘米·秒·℃，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。在切削加工過程中散熱和冷卻效果差，縮短了刀具壽命。

（2）彈性模量低，零件已加工表面回彈大，導(dǎo)致已加工表面與刀具的后刀面接觸面積增大，既影響零件尺寸精度又降低了刀具耐用度。

（3）硬度因素。硬度值低的鈦合金加工時(shí)會(huì)發(fā)粘，切屑沾在刀具前刀面的切削刃附近形成積屑瘤，影響加工效果；硬度值高的鈦合金加工時(shí)容易使刀具產(chǎn)生崩刃和磨蝕。這些特性導(dǎo)致鈦合金金屬去除率低，僅為鋼件的1/4，加工時(shí)間較同尺寸鋼件要長得多。

（4）化學(xué)親和性強(qiáng)。鈦不僅可以與空氣中的主要成分氮、氧、一氧化碳等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在合金表面形成TiC及TiN硬化層，而且在切削加工產(chǎn)生的高溫條件下還能與刀具材料起反應(yīng)，降低了刀具的耐用度。

（5）切削過程中的安全性能差。鈦屬于易燃金屬，微量切削時(shí)加工中產(chǎn)生的高溫和火花可能引起鈦屑燃燒。

3　鈦合金加工工藝方法

（1）盡可能使用硬質(zhì)合金刀具，鎢鈷類硬質(zhì)合金具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性較好的特點(diǎn)，與鈦高溫下也不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，適合用來加工鈦合金。

（2）合理選擇刀具幾何參數(shù)。為降低切削溫度，減少刀具粘結(jié)現(xiàn)象，可適當(dāng)減小刀具前角，通過增加切屑與前刀面的接觸面積來散熱；同時(shí)增大刀具后角，減少因已加工表面回彈與刀具后刀面摩擦接觸而產(chǎn)生刀具粘結(jié)、已加工表面精度降低的現(xiàn)象；刀尖宜采用圓弧過渡以增強(qiáng)刀具強(qiáng)度。加工鈦合金要經(jīng)常修磨刀具以保證其刃形鋒利、排屑順暢。

（3）適宜的切削參數(shù)。確定切削參數(shù)可參考一下方案：較低的切削速度——切削速度高會(huì)導(dǎo)致切削溫度急劇升高；適中的進(jìn)給量——進(jìn)給量大則切削溫度高，進(jìn)給量小則刀刃因在硬化層中切削時(shí)間長而磨損加快；較大的切削深度——刀尖越過鈦合金表面的硬化層切削能提高刀具壽命。

（4）加工中切削液流量和壓力要大，對(duì)加工區(qū)域要充分連續(xù)的冷卻以降低切削溫度。

（5）選用機(jī)床必須始終注意提高穩(wěn)定性以避免振動(dòng)趨勢(shì)。振動(dòng)會(huì)造成刀刃崩碎、刀片損壞的結(jié)果。同時(shí)，加工鈦合金工藝系統(tǒng)剛性要好以保證切削時(shí)采用較大的切削深度，但鈦合金加工回彈大，夾緊力較大會(huì)加劇工件變形，故精加工時(shí)可以考慮使用拼裝夾具等輔助支撐以滿足工藝系統(tǒng)剛度要求。

（6）銑削方式一般采用順銑。鈦合金加工中逆銑造成的銑刀粘屑和崩刃要比順銑產(chǎn)生的銑刀破損嚴(yán)重得多。

（7）磨削常見的問題是粘屑造成砂輪堵塞以及零件表面燒傷。故磨削時(shí)宜采用磨粒鋒利、硬度高、導(dǎo)熱性好的綠碳化硅砂輪；根據(jù)被加工表面光潔度的不同砂輪粒度可采用F36～F80；砂輪硬度應(yīng)較軟，用以減少磨粒與磨屑的粘附，降低磨削熱；磨削進(jìn)給量要小、速度偏低，乳化液充足。

（8）鈦合金鉆孔時(shí)需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鉆頭進(jìn)行修磨以減少燒刀和鉆頭折斷現(xiàn)象。修磨方法：適當(dāng)增大頂角、減小切削部位前角、增大切削部位后角，圓柱刃倒錐度數(shù)翻倍。加工中應(yīng)增加退刀次數(shù)，鉆頭不得在孔內(nèi)停留，及時(shí)清除切屑，足量的乳化液冷卻，注意觀察鉆頭變鈍應(yīng)及時(shí)清除切屑，足量的乳化液冷卻，注意觀察鉆頭變鈍應(yīng)及時(shí)更換修磨。

（9）鈦合金鉸孔也需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鉸刀進(jìn)行改制：鉸刀刃帶寬度應(yīng)小于0.15mm，切削部位與校準(zhǔn)部位宜圓弧過渡，避免出現(xiàn)尖點(diǎn)。鉸孔時(shí)可采用組鉸刀多次鉸削，每次增加鉸刀直徑0.1mm以下，主軸轉(zhuǎn)速宜稍慢，退刀時(shí)不停車。用這種方法鉸孔能達(dá)到較高的光潔度要求。

（10）攻螺紋是鈦合金加工中最為困難的一環(huán)，因扭矩過大，絲錐刀齒很快就會(huì)磨損，已加工部位的回彈甚至能使絲錐折斷在孔內(nèi)。選用普通絲錐加工時(shí)應(yīng)根據(jù)直徑大小適當(dāng)減少其齒數(shù)以增大容屑空間，在校準(zhǔn)齒上留出0.15mm寬度的刃帶后需將后角增大至30°左右，去除1/2～1/3齒背，校準(zhǔn)齒保留3扣后增大倒錐度數(shù)。建議選用跳牙絲錐能有效的減少刀具和工件接觸面積，加工效果亦較好。

4　加工注意事項(xiàng)

（1）刀具勤修磨、保持鋒利，以確保其加工過程中產(chǎn)生盡可能少的切削熱。（2）設(shè)備、刀、工、夾具應(yīng)保持整潔，切屑及時(shí)清除。（3）使用不燃或難燃的工具轉(zhuǎn)移鈦屑。將處理掉的碎屑存放在不可燃容器中覆蓋好。（4）操作清洗過的鈦合金零件應(yīng)戴干凈的手套，避免以后造成氯化鈉應(yīng)力腐蝕。（5）切削區(qū)域有防火設(shè)施。（6）微量切削時(shí)，切下的鈦屑一旦起火，可用干粉滅火劑或干土、干砂撲滅。

5　結(jié)束語

與其他大多數(shù)金屬材料相比，鈦合金加工不僅要求更高，而且限制更多。但是，如果正確使用適當(dāng)?shù)牡毒?，并按照其加工要求將機(jī)床和配置優(yōu)化到最佳狀態(tài)，同樣可以獲得令人滿意的鈦合金加工效果。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.006

劉艷琳（1970-），女，本科，工程師，主要從事工藝裝備設(shè)計(jì)與制造工作。