鈦合金零件加工技術研究

王健

摘要：鈦合金加工時的切削力只是略高于同等硬度的鋼，但是加工鈦合金的物理現(xiàn)象比加工鋼要復雜得多，從而使鈦合金加工面臨巨大的困難。鈦合金強度高、耐蝕性好、耐熱性高，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金。

關鍵詞：鈦合金;零件;加工;技術;

一、鈦合金主要特點

（一）強度高。鈦合金是廣泛地運用于航空航天技術領域的高性能材料，具有高強度特性。鈦相關合金材料已有數(shù)百類，它們有密度小，比強度高，耐腐蝕性好，高溫和低溫力學性能優(yōu)良，生物相容性好等特點，被廣泛應用在各個領域，產(chǎn)生了巨大的社會及經(jīng)濟效益。鈦合金即使在450～600℃時仍然能夠具有良好的強度表現(xiàn)，工作溫度遠遠高于鋁合金（工作溫度210℃），能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。同時鈦合金的低溫性能也同樣良好，TA7鈦合金在-258℃仍然可以保持其力學性能。一般鈦合金零件形狀復雜，包含許多細密或深長的型腔、薄壁、斜面等，并且尺寸精度要求高，形位公差要求嚴，零件的加工穩(wěn)定性很難保證。

（二）高斷裂韌性。大多數(shù)的鈦合金的熱導率很低，只有鋼的1/8，鋁的1/17。因此，在切削鈦合金過程中產(chǎn)生的熱量不會迅速傳遞給工件或被切屑帶走，而集聚在切削區(qū)域，所產(chǎn)生的溫度可高達1200℃以上。高斷裂韌性是指材料在經(jīng)受外力作用下抵抗永久性變和斷裂的能力，同時表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，韌性越好則越不容易發(fā)生脆性斷裂。從定義上看不出強度和韌性可以反向相互作用。隨著鈦合金的廣泛應用，由于其材料強度高，化學活性大，彈性模量較低等原因，其材料的難加工性越來越引起機械加工領域的關注。但是，鈦合金零件的車削加工卻非常困難，令機械工藝師們望而生畏，他們認為，鈦合金的超級性能大大削弱了其可加工的“能力”，使其切削加工極具挑戰(zhàn)性。

（三）抗腐蝕性。鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬，在空氣中和氧化性或中性水溶液中能迅速生成一層穩(wěn)定的氧化性保護膜，即使因為某些原因膜遭破壞，也能迅速自動恢復。鈦合金具有良好的耐腐蝕性能和突出的力學性能，在航空航天、化工、醫(yī)療等領域均有廣泛的應用。因此鈦在氧化性、中性介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性。鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼;對點蝕、酸蝕、應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。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。

（四）可焊接。鈦合金是以鈦元素為基礎加入其他元素組成的合金。鈦合金材料因比強度高、密度小、耐腐蝕、耐高溫和焊接性好等優(yōu)異性能，在航空領域得到越來越廣泛的應用。鈦合金切削時變形系數(shù)小，使得切屑在前刀面上滑動摩擦路程增大，加速刀具磨損。鈦合金導熱系數(shù)小，切削時產(chǎn)生的熱量不易傳出。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：鈦是同素異構體，熔點為1658℃，在低于852℃時呈密排六方晶格結構。工業(yè)純鈦是按照雜質(zhì)元素的含量劃分等級的。它具有優(yōu)良的沖壓工藝性能和焊接性能，對熱處理及組織類型不敏感，在令人滿意的塑性條件下具有一定的強度。它的強度主要取決于間隙元素氧、氮的含量。它在海水中具有高的抗腐蝕性能，但在無機酸中較差。

二、

（一）切削力計算。由于鈦合金薄壁零件的彈性模量較低，已經(jīng)加工完成的零件表面會產(chǎn)生較大的回彈，這樣會直接導致已加工表面與刀具的后刀面接觸面積增大，會對薄壁零件的加工質(zhì)量的造成非常大的影響，使得零件的加工精度急劇下降。主切削力比切鋼時約小20%，由于切屑與前刀面的接觸長度極短，單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同時，由于鈦合金的彈性模量小，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零件的精度。因此，要求工藝系統(tǒng)應具有較好的剛性。零件加工過程中，緊力與切削力間力的波動效應會產(chǎn)生耦合作用，從而導致加工殘余應力和零件內(nèi)部初始殘余應力重新分布，這也會對零件的加工質(zhì)量帶來影響。

（二）合理的切削方式。鈦合金材料的高效切削技術是行業(yè)內(nèi)重點關注的關鍵技術，充分體現(xiàn)“科技是第一生產(chǎn)力”的內(nèi)涵。因此，高效切削參數(shù)試驗數(shù)據(jù)的選取需要分階段逐步提升，謹慎而行，不可能在較短的周期內(nèi)快速提高。往往需要多個批次、多個零件的加工驗證，乃至持續(xù)數(shù)年，從驗證機到原型機，甚至產(chǎn)品進入定型階段還在進行提高加 工效率的精益改善。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――切削速度高會導致切削溫度急劇升高;適中的進給量――進給量大則切削溫度高，進給量小則刀刃因在硬化層中切削時間長而磨損加快;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。例如，在精銑削整體葉盤的輪轂與葉片型面時，需要采用整體硬質(zhì)合金直柄球刀。當兩葉片之間間距過于狹窄或葉片根部與輪轂轉接R較小時，刀具直徑減小。為增強刀具的剛性和提高加工效率，往往采用錐柄球刀。特別是在使用大長徑比刀具的工況下，和直柄球刀相比，錐柄球刀使刀具系統(tǒng)剛性增強，可以使刀具每齒進給量增大，加工時不易折斷，效果遠遠好于直柄球刀。

（三）刀具的選擇。鈦及鈦合金某些物理機械性能給切削加工帶來了困難，是屬于難加工的金屬材料之一。在切削鈦及鈦合金，刀具材料選擇基本要求是，要有足夠的硬度（冷硬性）、足夠的強度的韌性、足夠的耐磨性、足夠的耐熱性。必須考慮鈦的特性，選擇適合切削加工方法，掌握一定的加工技術，選擇好刀具材料。在相關的切削過程中，最重要的因素是工件和刀具，此外還應考慮刀具、工件夾緊和冷卻潤滑液等其它因素。工件表面加工質(zhì)量取決于加工過程中的加工精度，如切削參數(shù)（vc， f， ap）選擇不正確、加工系統(tǒng)的振動、刀具的磨損都會導致表面加工質(zhì)量下降。盡可能使用硬質(zhì)合金刀具，鎢鈷類硬質(zhì)合金具有強度高、導熱性較好的特點，與鈦高溫下也不易發(fā)生化學反應，適合用來加工鈦合金。

（四）合理選擇幾何參數(shù)。合理選擇刀具幾何參數(shù)，為降低切削溫度，減少刀具粘結現(xiàn)象，可適當減小刀具前角，通過增加切屑與前刀面的接觸面積來散熱。選擇適當?shù)倪M給量，過低會導致切削硬化層時間較長而損壞刀具，過高則會造成切削溫度升高。切削深度應保證刀尖能夠超過表面硬化層，從而延長刀具壽命;保持較高的切削液流量與壓力，從而使加工區(qū)域能夠快速、連續(xù)的進行冷卻。切削速度的設置宜低不宜高，如果速度較高則會出現(xiàn)加工溫度迅速提升的問題，影響加工效果;選擇適當?shù)倪M給量，過低會導致切削硬化層時間較長而損壞刀具，過高則會造成切削溫度升高。切削深度應保證刀尖能夠超過表面硬化層，從而延長刀具壽命;保持較高的切削液流量與壓力，從而使加工區(qū)域能夠快速、連續(xù)的進行冷卻。由于鈦的化學活性大，在高的切削溫度下，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮;同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。冷硬現(xiàn)象不僅會降低零件的疲勞強度，而且能加劇刀具磨損，是切削鈦合金時的一個很重要特點。

（四）合理選擇機床。鈦合金梁類結構件加工工藝復雜，如采用傳統(tǒng)的加工機床，需經(jīng)過多次裝夾、多工位加工，加工周期需要28天。所以，鈦合金零件加工的機床-夾具-刀具的系y剛性要好，機床各部件間的間隙要調(diào)整好，主軸徑向跳動要小，盡量采用這樣機床。有利于切屑掉落排送，能有效減少切屑二次切削和工件二次熱變形，延長刀具使用壽命，提高零件加工質(zhì)量。有利于高壓大流量液壓冷卻系統(tǒng)更有效發(fā)揮作用，加快排屑，保持機床運行精度，延長刀具使用壽命，提高零件加工質(zhì)量。

三、結束語

總之，鈦合金在抗腐蝕性、比強度、比剛度、結合性等方面具有明顯的優(yōu)勢，且高溫下變形小，蠕變性和抗疲勞性高?；阝伜辖鸬母鞣N優(yōu)點，其被廣泛的使用在國防產(chǎn)品加工生產(chǎn)中，鈦合金構件占據(jù)的比例高達所有構件比例的91%。所以，在鈦合金零件的加工中，要根據(jù)其自身性質(zhì)特點以及加工特性進行分析，采取科學的加工工藝，從而為加工質(zhì)量和效果提供有力的保障。

參考文獻：

[1]陳博，基于響應曲面法的鈦合金TC4切削力試驗研究[J];科技視界;2018年20期

[2]李峰，基于響應曲面法的強化感應加熱數(shù)值仿真[J];清華大學學報（自然科學版）;2017年04期