鈦合金零件加工淺談

程旭

摘 要 鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金。它具有強度高、熱強度高、抗蝕性好、低溫性能好、化學活性大、導熱彈性小等特點，是飛機及發動機理想的制造材料，除此之外鈦合金的用途非常多，其密度小、強度大、耐腐蝕的特點，密度大概是不銹鋼的一半強度卻略高于不銹鋼，這點在極限自行車、賽車上的高檔零件都有用到，甚至俄羅斯的塞拉級核潛艇耐壓殼采用鈦合金制造具有低磁性特征和較大潛深，可下潛1000米。但由于其切削加工性差，長期以來在很大程度上制約了它的應用。隨著加工工藝技術的發展，近年來，鈦合金已經廣泛應用于飛機發動機的壓氣機、整流罩、排氣裝置及飛機大梁框架結構件的制造。

關鍵詞 高強度；切削加工性差；鈦清理

前言

鈦合金具有高強度而密度又小，機械性能好，韌性和抗蝕性能好，另外鈦合金的工藝性差，切削加工困難，在熱加工中非常容易吸收氫氧氮碳等雜質。還有抗磨性差，鈦合金硬度大于HB350時，由于硬度大切削加工困難，刀具磨損嚴重，但是硬度小于HB300時則容易出現下屑粘刀現象，降低表面加工質量，也是難以切削[1]。

1 零件分析

1.1 結構分析

該軸承機匣為典型環形鈦合金件，為定子結構件，最大外圓為φ519mm，高為51mm，壁厚最小處為7mm，典型分析如下：

（1）大端有40個螺栓孔，由于是結構件大端在兩孔之間銑花邊去除多于重量。

（2）小端60個螺栓孔。

（3）中間20個減重孔

1.2 加工難點[2]

（1）由于鈦合金變形系數小，切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大，加速刀具磨損。

（2）由于鈦合金的導熱系數很小，切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產生的熱量不易傳出，使得熱量存在切削區和切削刃附近比較小的范圍內使得局部溫度升高，造成刀具融化零件表面燒傷變色。

（3）零件表面易被污染腐蝕，由于鈦合金裸露在空氣中在機加車間存在大量其他金屬雜質，使得鈦合金表面易附著其他材料金屬離子，腐蝕表面：

（4）由于鈦合金化學活性大，加工過程中又易在局部產生高溫，在高溫環境下鈦與空氣中的氧氣氮氣反應生成硬且脆的氧化膜，此氧化膜不僅能降低零件的疲勞強度，而且會加劇刀具的磨損。

2 加工難點解決方案

2.1 刀具磨損嚴重解決方案

首先是刀具及加工參數的選用：選用在高溫高壓下能承受交變載荷，抗磨抗熱性很好的硬質合金牌號。實踐證明選擇具有足夠的高溫硬度和強度，耐磨性好及導熱系數大的細粒硬質合金刀片。立方氮化硼刀片CBN刀片如YG6X、YA6適用于半精加工及精加工，當低速粗加工時，則易選用強度高，耐沖擊的YG8或超細硬質合金YG10H。YT類合金不能用于加工鈦合金，因為在高溫切削過程中這兩種材料容易發生親和作用，使刀片磨損特別嚴重。參數的選用：車削鈦合金時，刀具磨損劇烈的主要原因是切削速度V，因此切削速度一般不宜超過50m/min。斷屑車削時，切削速度還要降低。進給一般0.1-0.3mm/r。如進給過大，會使切削溫度升高，刀具耐用度下降；進給過小會使很薄的切屑極易氧化燃燒。

2.2 表面燒傷變色解決方案

由于鈦導熱系數小：約為鎳合金的25%鐵的20%鋁的7%，而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數還要下降約50%左，加之鈦合金的彈性模量小，加工時切屑表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面劇烈摩擦、黏附、磨損[3]，在此過程中會產生大量熱量切屑不能及時帶走造成零件表面局部高溫表面燒傷變色，除了上述刀具選用方法之外，還要使用相應的冷卻液，冷卻液不能與別的材料的零件共同使用，冷卻液要具備良好的冷卻性能、潤滑性能、防銹性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀釋特點。車床的供液噴嘴應盡可能做到一個噴嘴在道具前部和后部，他們一同冷卻刀具和工件。及時將切削產生的熱量帶走。

2.3 表面易污染的解決方案

由于在機加車間內存在各種金屬材料，機加過程產生的廢屑很有可能附著到鈦合金零件表面，由于鈦合金對許多金屬元素離子非常敏感，尤其是鐵元素（而鐵元素又是車間存在最多的元素）。如果不清理干凈，零件很快會被腐蝕掉，一般用兩種方法：①丙酮或者酒精清洗； ②如果丙酮無法清洗干凈的話，說明這個污染是強力附著的，或者是由于高溫原因產生的，需要用酸洗，一般使用含有10%～30%的硝酸0.4%～4%的氫氟酸的溶液進行酸洗就可以。

3 結束語

通過此任務的展開，對鈦合金的材料特性、機加過程存在的問題、加工難點等做出了簡單的分析并真對加工難點根據實踐經驗提供了較為詳細的解決方案，在鈦合金零件冷加工方面取得了一定的加工經驗。

參考文獻

[1] 宣安光.現代制造技術與數控加工設備的發展[J].杭州機械，2000， （3）：2-6.

[2] 陳本柱.航空發動機冷加工工藝的現狀與發展[J].航空制造技術，1995，（2）：33-36.

[3]《航空制造工程手冊》總編委員會.航空制造工程手冊：發動機機械加工[M].北京：航空工業出版社，1997：34.