鈦合金材料的機(jī)械加工工藝思考分析

楊帥

摘要：鈦合金材料相比其他合金材料其耐熱性較強(qiáng)，抗腐蝕以及導(dǎo)熱性佳，在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，本文嘗試就鈦合金材料相關(guān)的機(jī)械加工展開工藝方面的分析。

關(guān)鍵詞：鈦合金材料;機(jī)械加工;加工工藝

鈦合金加工往往對(duì)環(huán)境要求較高，且有較復(fù)雜的工藝，在鈦合金這一材料最早被發(fā)現(xiàn)上世紀(jì)五十年代，就已經(jīng)被相關(guān)人員應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域，且實(shí)際效果非常顯著，隨后因這一材料在耐熱、導(dǎo)熱和抗腐方面的優(yōu)良表現(xiàn)，引起各界關(guān)注并被很多領(lǐng)域廣泛采用。

一、鈦合金材料的一些特性及應(yīng)用

鈦合金的強(qiáng)度與密度比很高，在航空、航海、軍工及化工等等范圍內(nèi)已經(jīng)處于不可替代的位置，尤其是熱處理之后的鈦與某些元素（鋁、鉻、釩、錳等）的合金強(qiáng)度極限能夠達(dá)到1100Mpa-1400Mpa。

1.鈦合金材料的優(yōu)點(diǎn)。鈦合金材料密度大概是4.5gcm3，鋼的60%左右，大部分合金結(jié)構(gòu)鋼都不及鈦合金的高強(qiáng)度，密度方面純鈦與普通鋼較接近。鈦合金熱強(qiáng)度比鋁合金材料相比超過了幾百度左右，資料顯示鋁合金鈦合金最高工作溫度可達(dá)到500℃，可以長時(shí)間在450℃左右長期工作;鋁合金在溫度達(dá)到150℃的時(shí)候比強(qiáng)度開始下降，其工作溫度在200℃以下。另外，鈦合金的抗腐蝕性能也非常好，處于潮濕環(huán)境的大氣或是海水介質(zhì)環(huán)境，相比較不銹鋼來說鈦合金材料的抗腐蝕性能要高很多，尤其是在抵抗酸腐蝕、點(diǎn)腐蝕等方面抗力尤其強(qiáng)，如：硫酸、硝酸等產(chǎn)品有較佳的抗腐蝕能力。在低溫或者超低溫的環(huán)境中工作，鈦合金材料能夠保持力學(xué)性能，比如TA7材料，能夠在-253℃的環(huán)境中依舊保持一定塑性。鈦合金材料中鈦的化學(xué)活性比較大，空氣中的氧氣、氫氣、一氧化碳等成分能與其產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)。

2.鈦合金材料的缺點(diǎn)。鈦合金材料價(jià)格昂貴，與其他材料化學(xué)高溫反應(yīng)較差，易造成模具損壞等限制，阻礙了其在一定范圍的應(yīng)用。

3.鈦合金材料當(dāng)前主要用途。航空和航海領(lǐng)域的發(fā)展需求促使鈦合金增長飛快，鈦合金的牌號(hào)也隨之增加。在航空領(lǐng)域中，鈦合金主要用于做飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件：壓力容器、構(gòu)架，還可以做火箭、導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件;工業(yè)領(lǐng)域中，鈦合金可以用來制作電極、冷凝器、環(huán)境污染控制裝置等等。總體來說，鈦合金在船舶、航空、化工和醫(yī)療器械等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

二、鈦合金的加工

鈦合金材料的加工對(duì)環(huán)境要求非常高，其工藝也較為復(fù)雜，每一道程序應(yīng)循序加工的原則流程，加強(qiáng)管控的同時(shí)選用合理的篩選，避免加工質(zhì)量造成的損失。生產(chǎn)線質(zhì)量是由操作原則決定的，所以鋁合金加工需遵循操作原則。

1.器具方面。鋁合金的加工過程中會(huì)涉及到很多器具的選擇使用，最多的就是刀具材料的選擇，在選擇刀具的時(shí)候首要考慮刀具本身性能，結(jié)合鋁合金特點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估測試，加工過程中更好進(jìn)行切割的刀具優(yōu)先選擇。另一方面，加工所涉及到的成本問題是保證刀具質(zhì)量和合理性的前提下的另外一個(gè)問題，要盡量符合經(jīng)濟(jì)性原則。加工中關(guān)于刀具要進(jìn)行重點(diǎn)檢查，尤其是在厚度和長度方面，可以嘗試增加厚度，縮減長度，以便于使刀具的剛度增強(qiáng)，減少和降低相關(guān)損耗，延長刀具的使用壽命。

2.切削方面。鈦合金的加工質(zhì)量受切削條件影響比較大，所以在加工中對(duì)系統(tǒng)相關(guān)需求要予以綜合性的全面考慮。如：加工中可能出現(xiàn)的機(jī)床部件穩(wěn)定度不夠的情況可以通過調(diào)節(jié)機(jī)床結(jié)構(gòu)來解決，保障鈦合金加工質(zhì)量。與其他的材料對(duì)比之下，鈦合金的差異性比較大，所以切削方面不能根據(jù)其他的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行切割，要嚴(yán)格把控鈦合金的特性進(jìn)行，如若沒有嚴(yán)格控制可能會(huì)在加工中影響切削進(jìn)度或質(zhì)量。鈦合金在加工過程中對(duì)切割力度和速度也要予以控制，主要遵循三點(diǎn)把控原則：首先，降低切割速度且保證勻速切割，如果切割速度過快會(huì)使削切刀具溫度升高從而影響削切刀具的剛度，導(dǎo)致刀具使用壽命縮減。其次，從切削速度把控為基礎(chǔ)合理控制操作深度，操作中要對(duì)刀具與材料內(nèi)部接觸情況進(jìn)行關(guān)注，以刀具與材料內(nèi)部的接觸來提高切削質(zhì)量，并避免刀具出現(xiàn)崩、壞等問題。鈦合金硬度不低于HB350的時(shí)候切削加工比較困難，低于HB300時(shí)則比較容易出現(xiàn)粘刀情況。而變形系數(shù)小、切削溫度高等，都是導(dǎo)致鈦合金加工難的因素。

選用材質(zhì)S30T和S40T能夠?qū)崿F(xiàn)高效率鈦合金銑削，具有更長的刀具使用壽命，還有較強(qiáng)的抗疲勞能力，同時(shí)刃口安全性也較好。

3.熱處理方面。在加工中難以避免因加工對(duì)鈦合金造成的損壞，想要將這個(gè)問題控制在理想范圍內(nèi)，可嘗試從熱處理方向著手，通過熱處理轉(zhuǎn)變材料的一部分性質(zhì)，除此之外，材料的熱處理還能夠?qū)崿F(xiàn)順利切削。在對(duì)整個(gè)鈦合金切削過程中實(shí)施管理的嚴(yán)格控制，保證切削在規(guī)定范疇內(nèi)，避免相關(guān)機(jī)械設(shè)備損壞造成企業(yè)的損失，保證加工效率及時(shí)在規(guī)定期間完成工作。

4.切屑方面。切削環(huán)節(jié)中的切屑也是需要重點(diǎn)強(qiáng)化的，這個(gè)問題是由鈦合金材料的本身特性決定的，同時(shí)也與切削過程中機(jī)械設(shè)備等特點(diǎn)相關(guān)。所以能否保證切屑這一方面的加工，根據(jù)加工需求對(duì)斷屑設(shè)定方案，控制好切屑，是實(shí)現(xiàn)有序加工的關(guān)鍵一步。

三、加工工藝

1.進(jìn)行切削液處理。鈦合金的加工過程中會(huì)產(chǎn)生熱能和切屑，如果想要控制這些熱能和切屑，可以進(jìn)行切削液處理。切削液的處理中，首先應(yīng)注意適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行冷卻降溫控制，其次是選擇加工所適合的切削液，如堿性或油性切削液的選擇。國外大部分企業(yè)目前使用最多的就是冷卻液，不僅能夠使鈦合金材料表面更加堅(jiān)固，還避免了高溫等條件的影響。使用之后需要注意，須及時(shí)清理鹽層。我國在冷卻液的使用方面需要加大研究力度，對(duì)國外優(yōu)秀案例和經(jīng)驗(yàn)予以借鑒。還有一些企業(yè)對(duì)潤滑劑展開了系列的研究，限于這一類的產(chǎn)品多為固體易造成機(jī)械設(shè)備損耗，所以在潤滑劑使用方面還需要進(jìn)一步的深入探討。

2.進(jìn)行幾何參數(shù)處理。加工需求不同的情況下，刀具的需求和選擇也會(huì)有所不同，車刀主要適用于鈦合金的粗加工環(huán)節(jié)，加工中對(duì)不同角度、尺寸問題需要重點(diǎn)研究，但車刀也同樣能夠用于精細(xì)加工，需要在加工時(shí)控制好鈦合金表面光滑程度，保證刀具足夠鋒利。鉆頭也是加工中比較常用的一種刀具，這一類型的刀具在加工用著重關(guān)注切屑和冷卻，控制好螺旋角度問題。絲錐這一類的刀具在加工效果方面比較突出，與鉆頭相同之處是都需要控制好角度，尤其絲錐刀具前角一般控制在九度以內(nèi)，后角把控不超過十一度。鉸刀在加工中使用要嚴(yán)格控制前后角分別為五度、十度。

3.進(jìn)行工藝參數(shù)處理。加工硬度較高的鈦合金時(shí)半徑和速度要加以控制，參考工藝參數(shù)，比如說TC4的切削速度必須控制在60mm/min左右。再如在10mm一下鈦合金管道的焊接中，應(yīng)在合理工藝參數(shù)范圍進(jìn)行控制，選用小線能量焊接，控制在6-35kj/cm，小電流模式慢速焊接，避免高溫時(shí)間過長控制層間溫度低于200℃。鉆削中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)燒刀，主要因素是冷卻環(huán)節(jié)處理不足，須依靠最佳時(shí)機(jī)補(bǔ)充切削液來解決。日常加工中，要及時(shí)、定期對(duì)鉆頭進(jìn)行評(píng)估和維修，并把控好絲錐尺寸，減少摩擦情況出現(xiàn)。

總結(jié)：

本文對(duì)鈦合金材料優(yōu)、缺點(diǎn)等相關(guān)情況予以介紹，重點(diǎn)探討機(jī)械加工工藝及發(fā)展展望。隨鈦合金在生活、工業(yè)和商業(yè)等應(yīng)用范圍擴(kuò)大，加工技術(shù)在發(fā)展中更加成熟，其中雖還存在不完善之處，但嚴(yán)格遵循操作原則和要求，將誤差降低保證加工質(zhì)量，并爭取更早優(yōu)化鈦合金化學(xué)活性突出等相關(guān)課題，將為擴(kuò)大鈦合金材料應(yīng)用范圍提供幫助。

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