淺談鈦合金在切削加工中的特性

王玉春，田永久，江 帆

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

1 鈦合金的金屬屬性及化學(xué)特點(diǎn)

鈦合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右，僅為鋼的60%，純鈦的密度才接近普通鋼的密度，一些高強(qiáng)度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。因此鈦合金的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。另外在汽車零部件、醫(yī)療器械、電子3C行業(yè)，鈦合金也有廣泛的應(yīng)用[1]。

鈦的導(dǎo)熱系數(shù)λ=15.24W/（m.K）約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細(xì)長(zhǎng)桿和薄壁件，切削時(shí)加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結(jié)磨損。

2 鈦合金切削性能和自身特性

鈦合金的硬度大于HB350時(shí)切削加工特別困難，小于HB300時(shí)則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個(gè)方面，關(guān)鍵在于鈦合金本身化學(xué)、物理、力學(xué)性能間的綜合對(duì)其切削加工性的影響。下面分析一下鈦合金的自身特性：

第一，鈦合金部件的變形系數(shù)較小，幾乎為1或者無限接近于1。那么在切削過程中會(huì)由于前刀面上滑動(dòng)摩擦的路程大大增大，從而加大了刀頭的磨損。降低刀具的使命壽命。

第二，由于鈦合金自身具備熱導(dǎo)系數(shù)低的特點(diǎn)，那么如果在切削過程中，溫度過高，會(huì)使切削加工的過程中產(chǎn)生的熱量是不容易傳導(dǎo)出來的，溫度會(huì)在切削接觸處以及切削變形區(qū)域，如果導(dǎo)致切削刃的刃口位置的溫度較高會(huì)降低切削刀具的使用壽命。在相同的切削條件下，切削溫度可比切削45號(hào)鋼時(shí)高出一倍以上。

第三，單位面積上的切削力大：主切削力比切鋼時(shí)約小20%，由于切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度極短，單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同時(shí)，由于鈦合金的彈性模量小，加工時(shí)在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動(dòng)，加大刀具磨損并影響零件的精度。因此，要求工藝系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。

第四，由于鈦的特殊化學(xué)性質(zhì)，使得鈦合金在較高的切削溫度下容易與空氣中的氮?dú)?、氧氣結(jié)合形成較為清脆的外表皮，更重要的是在切削的過程中由于塑性變形也會(huì)造成表面硬化。由于以上兩種情況會(huì)導(dǎo)致鈦合金部件的疲勞強(qiáng)度降低，影響壽命周期，也會(huì)縮短切削刀具的使用時(shí)間。

圖1 高溫下鈦合金切削后形態(tài)

第五，在切削過程中，由于鈦合金部件毛坯件在沖壓、鍛造、熱軋等工序后容易導(dǎo)致不均勻的硬脆外皮，非常容易導(dǎo)致崩刃，所以在太合金部件切削之前需要清楚硬脆的外皮，這個(gè)工序是非常困難的。同時(shí)鈦合金對(duì)刀具有一定的粘結(jié)，在化學(xué)中也叫親和性，在切削過程中由于溫度升高會(huì)這導(dǎo)致粘結(jié)，刀具受損，降低使用壽命[2-4]。

由于鈦合金自身的化學(xué)特性，導(dǎo)熱系數(shù)較差，所以在切削加工的過程中產(chǎn)生的熱量是不容易傳導(dǎo)出來的，溫度會(huì)在切削接觸處以及切削變形區(qū)域，如果導(dǎo)致切削刃的刃口位置的溫度較高會(huì)降低切削刀具的使用壽命。對(duì)于鈦合金Ti6Al4V來說，在不考慮切削機(jī)床功率及切削刀材質(zhì)的情況下，切削過程溫度的高低是影響刀具使用壽命的直接和關(guān)鍵因素。

表1 鈦合金的化學(xué)組成成分

表2 鈦合金在不同溫度下的性能

3 鈦合金在切削過程中工具的選擇

鈦合金在切削加工過程中需要考慮兩方面內(nèi)容：減少粘結(jié)、有效降低切削溫度。同時(shí)在選取加工刀具時(shí)要傾向于：抗彎強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性強(qiáng)、硬度高的，同時(shí)要與鈦合金和性差的材料為加工刀具。那么采用硬質(zhì)的刀具是比較好的選擇，質(zhì)硬又能耐熱是最為鈦合金制品最好的切削工具了。在化學(xué)性質(zhì)上，可以了解到Y(jié)T類的硬質(zhì)金屬容易與鈦合金產(chǎn)生融合效果，這種情況會(huì)使刀具產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，所以不適合用于鈦合金制品的切削。對(duì)于復(fù)雜、多刃刀具，可選用高釩高速鋼(如W12Cr4V4Mo)、高鈷高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8)或鋁高速鋼(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料，適于制作切削鈦合金的鉆頭、鉸刀、立銑刀、拉刀、絲錐等刀具[5]。

圖2 鈦合金切削使用的刀具

4 鈦合金在切削過程中的預(yù)防措施

由于鈦合金本身具備比強(qiáng)度高、耐腐蝕性極好，同時(shí)又具備極好的機(jī)械性能所以在切削的過程中需要預(yù)防和避免以下幾個(gè)方面：

1.預(yù)防變形。鈦合金具有比強(qiáng)度大、彈性模量小，同時(shí)機(jī)械性能和耐腐蝕性能都比較強(qiáng)，由于自身的化學(xué)特性，鈦合金部件在加工過程中容易出現(xiàn)變形，從而降低加工精度，，所以在加工過程一定要注意夾具不可過緊，造成不必要的變形，必要時(shí)需要采取輔助支撐，降低夾具對(duì)其的應(yīng)力[6]。

2.預(yù)防產(chǎn)生氫而引起腐蝕。切削液有兩種含氫和不含氫兩種，在切削過程中盡量使用不含氫的，由于在切削過程中出現(xiàn)高溫，高溫下分解產(chǎn)生的氫氣容易被鈦吸收形成氫脆，鈦合金制品在高溫下容易產(chǎn)生腐蝕。

3.注意防止有毒害物質(zhì)。切削液中是含有氯化物成分的，眾所周知氯化物是有毒的，可以分解和會(huì)發(fā)出有毒害氣體。所以在使用的過程中需要具備安全防護(hù)措施，佩戴安全防護(hù)設(shè)備。切削后的需要及時(shí)用不含氯化物的清洗液對(duì)部件進(jìn)行徹底清洗，徹底清洗部避免氯化物的留存。

4.禁止其他金屬的使用。在化學(xué)成分中，鉛、鋅基合金成分的金屬工具、工裝、夾具等不允許與鈦合金接觸和使用，會(huì)有一定的危險(xiǎn)。

5.確保切削工具的清潔。在鈦合金切削的過程中，與其接觸的相關(guān)所有工裝、工具、夾具等設(shè)備裝置都需要清潔無污物，鈦合金部件需要經(jīng)過仔細(xì)清洗，操作過程中需要佩戴手套確保表面無油脂污染、無指印污染，避免造成后期腐蝕[7]。

6.預(yù)防產(chǎn)生爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。通常情況來說，在鈦合金部件發(fā)生切削過程中是不存在產(chǎn)生火災(zāi)的危險(xiǎn)，但是如果是微量切削可能會(huì)存在一切細(xì)小切屑，會(huì)有一定的發(fā)火燃燒的可能性。為了杜絕可能引起的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，可以通過：一是澆注切削液、清理機(jī)床上的堆積切屑、及時(shí)更換新刀具、有效降低切削頻率、有效增加切削厚度等方式來有效避免引起火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)橐欢ㄒ鹆嘶馂?zāi)會(huì)導(dǎo)致結(jié)果很惡劣。如果突發(fā)火災(zāi)情況需要立即用滑石粉、石灰石粉末、干砂等滅火器材進(jìn)行撲滅，嚴(yán)禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器，也不能澆水，因?yàn)樗芗铀偃紵?，甚至?dǎo)致氫爆炸。