鈦合金切削加工研究

馬輝

摘 要：通過此次研制對(duì)材料的加工性能從理論知識(shí)和實(shí)際兩個(gè)方面有了更深的了解，拓寬了解決實(shí)際問題的思路，對(duì)鈦合金鑄件有了一定的了解，掌握了一些加工技術(shù)，對(duì)車削、銑削、熱處理、化學(xué)鍍鎳等工種有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加工中出現(xiàn)的問題，提出了具體的有效的解決方法。在此基礎(chǔ)上確定了合理的工藝路線，不斷探索，持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：研制；性能；工藝路線；改進(jìn)

一 緒論

鈦合金分為三類，即α鈦合金、β鈦合金和（α+β）鈦合金。

α鈦合金是α相固溶體組成的單相合金，主要加入了α穩(wěn)定元素，如Al、Ca、Ce為穩(wěn)定α相的置換性元素，O、C為穩(wěn)定α相的間隙性元素。α鈦合金的耐熱性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)，組織穩(wěn)定；在500～600°C溫度下，強(qiáng)度及抗蠕變能力高，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，其典型牌號(hào)有TA7、TA8等，較易進(jìn)行切削加工。

β鈦合金是β相固溶體組成的單相合金，主要加入了β穩(wěn)定元素，如V、Mo、Nb、Ta等元素溶入β相中。這類合金在加熱到β相區(qū)淬火后，能保持β相同溶體組織。未經(jīng)熱處理即具有較高的強(qiáng)度。淬火、時(shí)效后使合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化。但其熱穩(wěn)定較差，切削加工性差，其典型牌號(hào)有TB1、TB2。

（α+β）鈦合金由α和β雙相組成，既添加有α穩(wěn)定元素，也添加有β穩(wěn)定元素，如Cr、Co、Fe、Ni、Mn等β共析性元素，可穩(wěn)定β相。Sn、Zr兩種元素在α和β相中都具有相當(dāng)大的固溶性，是有效的強(qiáng)化劑。這類合金組織穩(wěn)定，高溫變形性能好，韌性、塑性好，能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化，熱處理后的強(qiáng)度比退火狀態(tài)提高50%～100%，高溫強(qiáng)度也高，可在400～500°C溫度下長期工作，熱穩(wěn)定性僅次于α鈦合金，切削加工性能優(yōu)于β鈦合金，其典型牌號(hào)有TC1、TC4、TC9等。

二 鈦合金性能特點(diǎn)

鈦合金性能特點(diǎn)如下：

1、鈦合金密度小，強(qiáng)度高，其比強(qiáng)度大于超高強(qiáng)度鋼

2、鈦合金熱穩(wěn)定性好，高溫強(qiáng)度高。在300～500°C溫度下，其強(qiáng)度約比鋁合金高10倍

3、鈦合金在潮濕大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗腐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼，對(duì)點(diǎn)濕、酸濕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力很強(qiáng)。對(duì)堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等優(yōu)越的抗腐蝕能力，但鈦合金對(duì)具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗腐蝕能力差。

4、鈦的化學(xué)活性大，與大氣中的O、N、H、Co、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）>0.2%時(shí)，會(huì)在鈦合金中形成TiC。溫度較高時(shí)，與N作用，也會(huì)形成TiN硬質(zhì)表層。600°C以上，鈦吸收O，形成硬度很高的硬化層。H含量上升，會(huì)形成脆化層

5、鈦的熱導(dǎo)率λ低，約為Ni的1/4，F(xiàn)e的1/5，Al的1/14；鈦合金的熱導(dǎo)率更低，一般約為鈦的50%，如TC4的λ=0.019，TC9的λ=0.017

6、鈦的彈性模量為107800MPa，約為鋼的1/2

三 鈦合金的切削加工

（一）鈦合金的切削加工特點(diǎn)

1、變形系數(shù)小于1或接近于1，切削在前刀面上滑動(dòng)摩擦的路程增大，加速刀具磨損，這是加工鈦合金時(shí)的一個(gè)顯著特點(diǎn)。

2、切削溫度在相同的切削條件下，TC4比45號(hào)鋼高出一倍以上，主要是由于鈦合金的熱導(dǎo)率低，刀具與切屑的接觸長度短，使切削熱積于切削刃附近的小面積內(nèi)而不易散發(fā)所引起的。

3、主切削力比一般結(jié)構(gòu)鋼小20%左右。但由于刀具與切屑的接觸長度短，使單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。

4、由于鈦的化學(xué)活性大，易與各種氣體雜質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，如O、N、H、C等侵入鈦合金的切削表層，導(dǎo)致表層的硬度及脆性上升。其他尚有TiC、TiN硬質(zhì)表層的形成；在高溫時(shí)形成表層組織α化層以及氫脆層等表面變質(zhì)污染層。造成了表層組織不均，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，降低了零件的疲勞強(qiáng)度。切削過程中也嚴(yán)重?fù)p傷刀具，產(chǎn)生缺口、崩刃、剝落等現(xiàn)象。

5、由于鈦的親和性大，切削溫度高，刀具與切削單位接觸面積上的壓力大，易產(chǎn)生回彈等眾多因素的綜合影響，切削時(shí)，鈦屑及被切表層易與刀具材料咬合，產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，引起劇烈的粘結(jié)磨損。

（二）加工鈦合金的刀具選擇

切削加工鈦合金常用刀具材料，以高速鋼和硬質(zhì)合金為主，高速鋼宜選用含鈷、含鋁、含釩的高速鋼；硬質(zhì)合金應(yīng)選用鎢鈷類（或含有少量其他碳化物）硬質(zhì)合金。涂層刀片和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金不宜使用。

（三）切削參數(shù)的選擇

1、鈦合金車削

車削鈦合金時(shí)應(yīng)考慮到鈦合金切削溫度高，要慎重選擇切削速度和進(jìn)給量，力求使切削溫度接近最佳切削溫度。高速鋼刀具切削鈦合金時(shí)的最佳切削溫度約為480～540°C，硬質(zhì)合金約為650～750°C。此外，還應(yīng)注意在鈦合金車削過程中的變形、熱變形和刀具磨損將影響車削加工精度。

2、鈦合金的銑削

銑削鈦合金時(shí)，宜采用順銑。順銑時(shí)，由于刀齒切出時(shí)的切屑很薄，不易粘結(jié)在切削刃上。而逆銑時(shí)正相反，容易粘屑，當(dāng)?shù)洱X二次切入時(shí)，切屑被碰斷，產(chǎn)生刀具材料剝落崩刃。但順銑時(shí)，由于鈦合金彈性模量小，造成讓刀現(xiàn)象，因此，要求機(jī)床和刀具具有較大的剛性。銑削時(shí)，刀具與切削接觸長度小，不易卷屑，要求刀具具有較好的刀齒強(qiáng)度及較大的容屑空間，切屑堵塞會(huì)造成刀具劇烈磨損。

3、鈦合金的鉆削

鈦合金鉆削

1）小孔鉆削（非深孔鉆削）

鈦合金小孔鉆削宜采用四刃帶麻花鉆，為了加強(qiáng)小直徑鉆頭的剛性，將鉆頭作出四條導(dǎo)向刃帶，以加大截面慣性矩，提高剛性。四刃鉆頭的壽命比標(biāo)準(zhǔn)鉆頭高2.5～3倍，還可降低鉆頭折斷次數(shù)。在四刃鉆頭上自然的形成二條輔助冷卻槽。加注切削液后，切削區(qū)溫度比標(biāo)準(zhǔn)鉆頭降低15%～20%

2）深孔鉆削

鉆削L/D>5以上的深孔時(shí)，一般采用焊接式硬質(zhì)合金槍鉆，可以取得良好的鉆削效果。

四 鈦合金磨削

（一）鈦合金磨削特點(diǎn)

1、生產(chǎn)率低，在保證零件所要求的零件加工質(zhì)量的條件下，難以獲得較高的生產(chǎn)率。磨削時(shí)砂輪容易變鈍失效，磨削比很低，在相同磨削條件下磨削TC4的磨削比只有1.53，而45號(hào)鋼為71.5

2、磨削溫度高

鈦合金磨削時(shí)滑擦過程所占比重大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦、急劇的彈性、塑性變形和大量的熱量，致使磨削區(qū)溫度很高。在相同條件下，磨削TC9的磨削溫度為45號(hào)鋼的1.5～2倍，最高可達(dá)1000°C

3、磨削力大

磨削鈦合金時(shí)，和一般磨削規(guī)律一樣，徑向力大于切削力，但磨削力比45號(hào)鋼大30%左右

4、砂輪磨損失效

磨削鈦合金時(shí)，除粘結(jié)，擴(kuò)散之外，鈦合金還與磨粒起化學(xué)作用，加速砂輪的磨損過程

（二）鈦合金磨削時(shí)的砂輪選擇

1、磨料：綠碳化硅及鈰碳化硅磨料與鈦合金粘附較輕，砂輪不易堵塞，效果較好。金剛石和立方氮化硼超硬磨料對(duì)鈦合金穩(wěn)定性好，效果也較好

（三）磨削液選擇原則

1、要求磨削液具有冷卻、潤滑和沖洗作用

2、要具有抑制鈦與磨料的粘附作用和化學(xué)作用

3、鈦合金磨削溫度高，鈦屑易燃，在使用油劑磨削液時(shí)，要防發(fā)生火災(zāi)。

4、建議使用亞硝酸鉀溶液、亞硝酸鉀和甲酸鈉溶液，亞硝酸鈉溶液、亞硝酸鈉和甲酸鈉溶液，亞硝酸氨溶液或高氯化油等

五 總結(jié)

通過此次研制對(duì)材料的加工性能從理論知識(shí)和實(shí)際兩個(gè)方面有了更深的了解，拓寬了解決實(shí)際問題的思路，掌握了一些加工技術(shù)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加工中出現(xiàn)的問題，提出了具體的有效的解決方法。

參考文獻(xiàn)

[1]胡永生編著，[機(jī)械制造工藝原理] – 北京理工大學(xué)出版社，1992

[2]吳佳常主編，[機(jī)械制造工藝學(xué)]-中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992

[3]吳宗澤主編，[機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)]– 機(jī)械工業(yè)出版社，2008

（作者單位：中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）