鈦合金零件加工工藝方法分析

劉艷琳（中航工業哈飛工裝廠，哈爾濱　150066）

鈦合金零件加工工藝方法分析

劉艷琳
（中航工業哈飛工裝廠，哈爾濱150066）

鈦合金機械性能優良，而工藝性能較差，這就導致了其應用前景看好但加工較為困難這一矛盾。本文通過分析鈦合金材料的金屬切削性能，結合多年實際工作經驗，在加工鈦合金刀具的選用、切削速度的確定、不同切削方法的特點、加工余量及加工注意事項等多方面進行了探討，闡明了本人對鈦合金機械加工方面的見解和建議。

鈦合金；機械性能；工藝方法；材料

0　引言

鈦合金密度低、比強度（強度/密度）高、抗腐蝕性能好、耐熱性高、韌性、塑性、可焊性均較好，目前在航空航天、汽車、醫學、體育用品及電解工業等許多領域均已大量使用鈦合金。但導熱性能差、硬度高、彈性模量低等特性也導致鈦合金成為較難加工的金屬材料。本文是針對其工藝特性總結出的鈦合金切削加工中的一些工藝措施。

1　鈦合金材料的主要優點

（1）鈦合金強度高而密度小（4.4kg/dm3）、重量輕，為一些大型結構件減輕重量提供了解決方案。

（2）熱強性高。鈦合金在400～500℃條件下仍能維持較高的強度，可以穩定的工作，而鋁合金的工作溫度只能在200℃以下。

（3）與鋼材相比鈦合金固有的高耐蝕性可以節省飛機日常運行和維護保養的成本。

2　鈦合金加工特性分析

（1）導熱系數低。TC4在200℃時熱導率l=16.8W/m·℃，導熱系數是0.036卡/厘米·秒·℃，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。在切削加工過程中散熱和冷卻效果差，縮短了刀具壽命。

（2）彈性模量低，零件已加工表面回彈大，導致已加工表面與刀具的后刀面接觸面積增大，既影響零件尺寸精度又降低了刀具耐用度。

（3）硬度因素。硬度值低的鈦合金加工時會發粘，切屑沾在刀具前刀面的切削刃附近形成積屑瘤，影響加工效果；硬度值高的鈦合金加工時容易使刀具產生崩刃和磨蝕。這些特性導致鈦合金金屬去除率低，僅為鋼件的1/4，加工時間較同尺寸鋼件要長得多。

（4）化學親和性強。鈦不僅可以與空氣中的主要成分氮、氧、一氧化碳等物質發生化學反應，在合金表面形成TiC及TiN硬化層，而且在切削加工產生的高溫條件下還能與刀具材料起反應，降低了刀具的耐用度。

（5）切削過程中的安全性能差。鈦屬于易燃金屬，微量切削時加工中產生的高溫和火花可能引起鈦屑燃燒。

3　鈦合金加工工藝方法

（1）盡可能使用硬質合金刀具，鎢鈷類硬質合金具有強度高、導熱性較好的特點，與鈦高溫下也不易發生化學反應，適合用來加工鈦合金。

（2）合理選擇刀具幾何參數。為降低切削溫度，減少刀具粘結現象，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；同時增大刀具后角，減少因已加工表面回彈與刀具后刀面摩擦接觸而產生刀具粘結、已加工表面精度降低的現象；刀尖宜采用圓弧過渡以增強刀具強度。加工鈦合金要經常修磨刀具以保證其刃形鋒利、排屑順暢。

（3）適宜的切削參數。確定切削參數可參考一下方案：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。

（4）加工中切削液流量和壓力要大，對加工區域要充分連續的冷卻以降低切削溫度。

（5）選用機床必須始終注意提高穩定性以避免振動趨勢。振動會造成刀刃崩碎、刀片損壞的結果。同時，加工鈦合金工藝系統剛性要好以保證切削時采用較大的切削深度，但鈦合金加工回彈大，夾緊力較大會加劇工件變形，故精加工時可以考慮使用拼裝夾具等輔助支撐以滿足工藝系統剛度要求。

（6）銑削方式一般采用順銑。鈦合金加工中逆銑造成的銑刀粘屑和崩刃要比順銑產生的銑刀破損嚴重得多。

（7）磨削常見的問題是粘屑造成砂輪堵塞以及零件表面燒傷。故磨削時宜采用磨粒鋒利、硬度高、導熱性好的綠碳化硅砂輪；根據被加工表面光潔度的不同砂輪粒度可采用F36～F80；砂輪硬度應較軟，用以減少磨粒與磨屑的粘附，降低磨削熱；磨削進給量要小、速度偏低，乳化液充足。

（8）鈦合金鉆孔時需要對標準鉆頭進行修磨以減少燒刀和鉆頭折斷現象。修磨方法：適當增大頂角、減小切削部位前角、增大切削部位后角，圓柱刃倒錐度數翻倍。加工中應增加退刀次數，鉆頭不得在孔內停留，及時清除切屑，足量的乳化液冷卻，注意觀察鉆頭變鈍應及時清除切屑，足量的乳化液冷卻，注意觀察鉆頭變鈍應及時更換修磨。

（9）鈦合金鉸孔也需要對標準鉸刀進行改制：鉸刀刃帶寬度應小于0.15mm，切削部位與校準部位宜圓弧過渡，避免出現尖點。鉸孔時可采用組鉸刀多次鉸削，每次增加鉸刀直徑0.1mm以下，主軸轉速宜稍慢，退刀時不停車。用這種方法鉸孔能達到較高的光潔度要求。

（10）攻螺紋是鈦合金加工中最為困難的一環，因扭矩過大，絲錐刀齒很快就會磨損，已加工部位的回彈甚至能使絲錐折斷在孔內。選用普通絲錐加工時應根據直徑大小適當減少其齒數以增大容屑空間，在校準齒上留出0.15mm寬度的刃帶后需將后角增大至30°左右，去除1/2～1/3齒背，校準齒保留3扣后增大倒錐度數。建議選用跳牙絲錐能有效的減少刀具和工件接觸面積，加工效果亦較好。

4　加工注意事項

（1）刀具勤修磨、保持鋒利，以確保其加工過程中產生盡可能少的切削熱。（2）設備、刀、工、夾具應保持整潔，切屑及時清除。（3）使用不燃或難燃的工具轉移鈦屑。將處理掉的碎屑存放在不可燃容器中覆蓋好。（4）操作清洗過的鈦合金零件應戴干凈的手套，避免以后造成氯化鈉應力腐蝕。（5）切削區域有防火設施。（6）微量切削時，切下的鈦屑一旦起火，可用干粉滅火劑或干土、干砂撲滅。

5　結束語

與其他大多數金屬材料相比，鈦合金加工不僅要求更高，而且限制更多。但是，如果正確使用適當的刀具，并按照其加工要求將機床和配置優化到最佳狀態，同樣可以獲得令人滿意的鈦合金加工效果。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.006

劉艷琳（1970-），女，本科，工程師，主要從事工藝裝備設計與制造工作。