鈦合金切削質(zhì)量的影響因素與改進措施

■大連長豐實業(yè)總公司 （遼寧大連 116038） 孟慶國 晁耀杰 王大宏 單 彬 楊峻嶺

鈦合金材料具備比強度高、耐高溫性好、抗腐蝕等優(yōu)良的物理、化學性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、海洋、能源和交通運輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代飛機對隱身、抗疲勞和高強輕質(zhì)等性能要求的不斷提高，鈦合金在飛機制造領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，飛機上采用機械加工的零部件所占的比例也相應(yīng)增加，但基于鈦合金本身的物理性質(zhì)，其切削加工性較差，加工過程中導(dǎo)熱性較差，切削時材料黏度較大，導(dǎo)致大量鈦合金關(guān)鍵零件、重要零件的切削難度非常大，加工精度不容易保證，因此在飛機制造和修理領(lǐng)域中解決上述鈦合金精密切削過程中存在的問題，對突破鈦合金機械加工的技術(shù)瓶頸至關(guān)重要。

1. 鈦合金零件切削加工的影響因素

鈦合金不同于鋁合金、合金鋼和鎂合金等金屬材料，在高速切削情況下，無法保證其加工精度和加工質(zhì)量。造成其加工難度大的影響因素主要有以下兩個方面：一是材料的固有屬性；二是航空結(jié)構(gòu)件的特殊性能要求。

鈦合金材料的固有屬性體現(xiàn)在以下幾方面：①由于鈦合金的導(dǎo)熱性差，摩擦因數(shù)大，導(dǎo)致切削熱不易傳出，且集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小區(qū)域內(nèi)。高溫下切削刃的硬度降低，造成刀具壽命的縮短，嚴重時會直接影響加工零件的精度。②鈦元素化學性質(zhì)活潑，在300℃以上，鈦原子容易與大氣中的氫、氧及氮等非金屬元素發(fā)生強烈的化學反應(yīng)，形成表面硬化層，在切削熱的作用下，該部位溫度升高，更容易與空氣中的CO2和油脂中的碳元素發(fā)生化學反應(yīng)，當含碳量＞0.12%時，會形成Ti C硬質(zhì)碳化物，進而加速切削過程中刀具的磨損。③鈦合金對含鈦元素的刀具材料具有十分強烈的化學親合作用。④彈性模量E數(shù)值較小，抗拉強度與屈服強度比值較小，進而導(dǎo)致在機械加工過程中刀具會隨著工件的轉(zhuǎn)動發(fā)生較大的回彈，從而增加了切削摩擦力，加速刀具磨損，影響加工精度。

鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的特殊性要求，主要體現(xiàn)在以下三方面。

1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較大，切削精度與質(zhì)量有嚴格的要求。

2）在滿足抗拉強度、屈服強度、疲勞強度和彈塑形極限等材料特性的前提下，為了進一步滿足飛機局部對靜載和動載強度的要求，筋板加強結(jié)構(gòu)和薄壁槽腔結(jié)構(gòu)在飛機結(jié)構(gòu)中比較常見，如果采用機械加工方式進行成形制造，從板料到成品，去除量很大，加工過程也容易產(chǎn)生較大變形，產(chǎn)品精度難以保證。如圖1所示為某型飛機TA15鈦合金防護柵局部示意圖，圖2為薄壁槽腔結(jié)構(gòu)示意圖。

3）加工應(yīng)力大，易變形，加工尺寸難保證。如圖3所示為TC6鈦合金長軸類零件圖，該零件具有加工成本昂貴、尺寸要求精密、外形復(fù)雜、加工難度大、除屑率高、加工應(yīng)力大及易變形等特點。產(chǎn)品在加工過程中要考慮應(yīng)力變形因素的影響，否則極易因變形造成報廢。該產(chǎn)品長軸車削加工以及磨削同軸度、圓跳動的保證是研究的重點，對技術(shù)手段、生產(chǎn)條件都提出了很高的要求。

圖1 鈦合金防護柵局部

圖2 薄壁槽腔結(jié)構(gòu)示意

圖3 鈦合金TC6長軸類零件示意

2. 鈦合金切削加工改進措施

為了保證鈦合金零件的切削加工質(zhì)量，基于此類材料切削性能的影響因素，可以從刀具選擇、切削參數(shù)調(diào)整和工裝夾具設(shè)計三方面對切削性能進行改進。

（1）刀具材料的選擇 根據(jù)鈦合金材料的屬性特點，刀具的選擇應(yīng)從降低切削溫度、減少粘刀磨損等方面來考慮。

根據(jù)硬質(zhì)合金刀具材料的組成特點，Y T類刀具中含有Ti元素，對加工的鈦合金零件具有親和作用，容易粘刀，損壞刀尖，因此加工鈦合金時，不應(yīng)該選擇YT類硬質(zhì)合金刀具。當采用lm/s以下的低速切削加工時，選用YG類刀具。為了保障鈦合金的高速切削質(zhì)量，加快加工過程中切削熱量的散去，可以采用YG8刀具進行粗加工和斷續(xù)加工，選用YG3刀具進行精細加工和連續(xù)加工。

基于以上的論述，鈦合金刀具材料需要滿足以下特點：①高硬度且具備足夠的強度和韌性。②高耐磨性。③刀具材料與鈦合金親合能力差，不與鈦合金材料發(fā)生熔敷、擴散。

（2）合理的切削參數(shù)選擇與工序安排 刀具切削參數(shù)的選擇對鈦合金加工過程的可靠性和加工質(zhì)量有著重要的影響，尤其是切削前角、切削后角和切削刃圓弧半徑。切削刀具和切削前角γo、后角αo示意如圖4所示。

在切削過程中，切削摩擦生熱，一部分機械能轉(zhuǎn)化為了熱能，且鈦合金導(dǎo)熱能力較差，熱量集中，導(dǎo)致切削工件溫度升高，溫度升高后，新鮮的切削金屬表面與空氣中的氧、氫、氮等元素發(fā)生反應(yīng)，形成了硬而脆的化合物，切削難度增大，故刀具會發(fā)生磨損且磨損位置是前刀面。根據(jù)力學計算，數(shù)值較小的前角γo可以降低作用在前刀面上的摩擦力，進而有效降低刀具磨損。此外，降低前角γo的數(shù)值，可增加切屑與前刀面的接觸面積，既能降低刀尖部位的應(yīng)力集中，又能加快散熱，進而降低切削過程中的崩刀幾率。研究表明，當前角γo為28°～30°時，刀具的耐用度最高。切削后角αo作為鈦合金機加過程最敏感的參數(shù)，αo數(shù)值越大，刃口越易切入金屬層，但αo數(shù)值過大時，切削刃容易崩碎。根據(jù)加工經(jīng)驗，后角αo選取15°，既可保證切削刃的鋒利性，也可降低刀尖的溫度，增加刀具的耐用性。根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，切削刃圓弧半徑r增大，可以減少刀具的崩落現(xiàn)象。這是因為切削圓弧的曲率半徑增大，切削應(yīng)力集中系數(shù)下降，進而降低加工應(yīng)力，并提高了刀具使用壽命。

由于鈦合金材料強度高，導(dǎo)熱系數(shù)低，因此在切削加工過程中，易于在切削區(qū)域形成高溫，散熱慢，不利于熱平衡，散熱和冷卻效果很差，加工后零件變形回彈大，因該原因引起的變形，導(dǎo)致多次加工的零件成批報廢。為了避免該問題的發(fā)生，可以從加工工序上進行合理安排。經(jīng)過反復(fù)的測試與驗證，加工鈦合金零件需要小進給量切削，并且預(yù)留0.5～1m m加工余量，經(jīng)過消除應(yīng)力熱處理后，才能進行精加工，精加工后還需進行消除應(yīng)力熱處理，這樣可以有效地解決加工應(yīng)力變形問題。

（3）工裝夾具設(shè)計 以圖3所示的鈦合金T C6長軸類零件為例，該零件在切削加工后需要鍍硬鉻后保證φ 3 4 h 8 m m 要求，通過頂尖兩端頂起外磨2處φ 3 4 h 8 m m 后測量發(fā)現(xiàn)，兩端φ 34h8mm尺寸圓跳動超差，并且鈦合金切削過程中機床頂尖產(chǎn)生磨損，但更換硬質(zhì)頂尖后，產(chǎn)品兩端頂尖產(chǎn)生磨損，通過添加潤滑油等方式均無法解決該問題。經(jīng)過反復(fù)試驗與測試，鈦合金和機床頂尖發(fā)生的磨損，使鈦合金具有從周圍大氣中吸收氧和氫的能力，產(chǎn)生組織的α化，并使加工表面強化，當更換的頂尖硬度大于表面強化硬度時，產(chǎn)品本身就會發(fā)生磨損，而且在外圓磨床上加工的所有類型鈦合金均會出現(xiàn)該問題，加工現(xiàn)場如圖5所示。

為了避免機床頂尖與產(chǎn)品產(chǎn)生互磨，將外圓磨床進行改造，兩頂尖改裝為活頂尖，如圖6所示。工件和頂尖一起旋轉(zhuǎn)，這樣就避免了機床在旋轉(zhuǎn)過程中與零件產(chǎn)生的摩擦，保證了產(chǎn)品的同軸度，而且解決了所有鈦合金外圓切削同軸度的問題。

圖4 切削刀具示意

圖5 傳統(tǒng)磨削加工

圖6 活頂尖示意

3. 結(jié)語

鈦合金切削質(zhì)量的影響因素有：大氣中的碳、氫、氧及氮等元素會造成冷硬現(xiàn)象；鈦合金的導(dǎo)熱性差，嚴重影響切削刀具壽命和加工精度；碳元素的引入造成鈦合金的可切削性下降，同時加速刀具磨損；鈦合金對含鈦元素的刀具的化學親合作用會加速刀具磨損。針對以上影響因素，合理選擇刀具材料、切削參數(shù)、工序和工裝夾具等，可改善切削加工性能。