鈦合金切削加工研究

馬輝

摘 要：通過此次研制對材料的加工性能從理論知識和實際兩個方面有了更深的了解，拓寬了解決實際問題的思路，對鈦合金鑄件有了一定的了解，掌握了一些加工技術，對車削、銑削、熱處理、化學鍍鎳等工種有了進一步的認識，積累了一定的經驗，對加工中出現的問題，提出了具體的有效的解決方法。在此基礎上確定了合理的工藝路線，不斷探索，持續發展。

關鍵詞：研制；性能；工藝路線；改進

一 緒論

鈦合金分為三類，即α鈦合金、β鈦合金和（α+β）鈦合金。

α鈦合金是α相固溶體組成的單相合金，主要加入了α穩定元素，如Al、Ca、Ce為穩定α相的置換性元素，O、C為穩定α相的間隙性元素。α鈦合金的耐熱性高于純鈦，抗氧化能力強，組織穩定；在500～600°C溫度下，強度及抗蠕變能力高，但不能進行熱處理強化，其典型牌號有TA7、TA8等，較易進行切削加工。

β鈦合金是β相固溶體組成的單相合金，主要加入了β穩定元素，如V、Mo、Nb、Ta等元素溶入β相中。這類合金在加熱到β相區淬火后，能保持β相同溶體組織。未經熱處理即具有較高的強度。淬火、時效后使合金得到進一步強化。但其熱穩定較差，切削加工性差，其典型牌號有TB1、TB2。

（α+β）鈦合金由α和β雙相組成，既添加有α穩定元素，也添加有β穩定元素，如Cr、Co、Fe、Ni、Mn等β共析性元素，可穩定β相。Sn、Zr兩種元素在α和β相中都具有相當大的固溶性，是有效的強化劑。這類合金組織穩定，高溫變形性能好，韌性、塑性好，能進行淬火、時效使合金強化，熱處理后的強度比退火狀態提高50%～100%，高溫強度也高，可在400～500°C溫度下長期工作，熱穩定性僅次于α鈦合金，切削加工性能優于β鈦合金，其典型牌號有TC1、TC4、TC9等。

二 鈦合金性能特點

鈦合金性能特點如下：

1、鈦合金密度小，強度高，其比強度大于超高強度鋼

2、鈦合金熱穩定性好，高溫強度高。在300～500°C溫度下，其強度約比鋁合金高10倍

3、鈦合金在潮濕大氣和海水介質中工作，其抗腐蝕性遠優于不銹鋼，對點濕、酸濕、應力腐蝕的抵抗力很強。對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等優越的抗腐蝕能力，但鈦合金對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗腐蝕能力差。

4、鈦的化學活性大，與大氣中的O、N、H、Co、CO2、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應。含碳量（質量分數）>0.2%時，會在鈦合金中形成TiC。溫度較高時，與N作用，也會形成TiN硬質表層。600°C以上，鈦吸收O，形成硬度很高的硬化層。H含量上升，會形成脆化層

5、鈦的熱導率λ低，約為Ni的1/4，Fe的1/5，Al的1/14；鈦合金的熱導率更低，一般約為鈦的50%，如TC4的λ=0.019，TC9的λ=0.017

6、鈦的彈性模量為107800MPa，約為鋼的1/2

三 鈦合金的切削加工

（一）鈦合金的切削加工特點

1、變形系數小于1或接近于1，切削在前刀面上滑動摩擦的路程增大，加速刀具磨損，這是加工鈦合金時的一個顯著特點。

2、切削溫度在相同的切削條件下，TC4比45號鋼高出一倍以上，主要是由于鈦合金的熱導率低，刀具與切屑的接觸長度短，使切削熱積于切削刃附近的小面積內而不易散發所引起的。

3、主切削力比一般結構鋼小20%左右。但由于刀具與切屑的接觸長度短，使單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。

4、由于鈦的化學活性大，易與各種氣體雜質產生強烈的化學反應，如O、N、H、C等侵入鈦合金的切削表層，導致表層的硬度及脆性上升。其他尚有TiC、TiN硬質表層的形成；在高溫時形成表層組織α化層以及氫脆層等表面變質污染層。造成了表層組織不均，產生局部應力集中，降低了零件的疲勞強度。切削過程中也嚴重損傷刀具，產生缺口、崩刃、剝落等現象。

5、由于鈦的親和性大，切削溫度高，刀具與切削單位接觸面積上的壓力大，易產生回彈等眾多因素的綜合影響，切削時，鈦屑及被切表層易與刀具材料咬合，產生嚴重的粘刀現象，引起劇烈的粘結磨損。

（二）加工鈦合金的刀具選擇

切削加工鈦合金常用刀具材料，以高速鋼和硬質合金為主，高速鋼宜選用含鈷、含鋁、含釩的高速鋼；硬質合金應選用鎢鈷類（或含有少量其他碳化物）硬質合金。涂層刀片和鎢鈦鈷類硬質合金不宜使用。

（三）切削參數的選擇

1、鈦合金車削

車削鈦合金時應考慮到鈦合金切削溫度高，要慎重選擇切削速度和進給量，力求使切削溫度接近最佳切削溫度。高速鋼刀具切削鈦合金時的最佳切削溫度約為480～540°C，硬質合金約為650～750°C。此外，還應注意在鈦合金車削過程中的變形、熱變形和刀具磨損將影響車削加工精度。

2、鈦合金的銑削

銑削鈦合金時，宜采用順銑。順銑時，由于刀齒切出時的切屑很薄，不易粘結在切削刃上。而逆銑時正相反，容易粘屑，當刀齒二次切入時，切屑被碰斷，產生刀具材料剝落崩刃。但順銑時，由于鈦合金彈性模量小，造成讓刀現象，因此，要求機床和刀具具有較大的剛性。銑削時，刀具與切削接觸長度小，不易卷屑，要求刀具具有較好的刀齒強度及較大的容屑空間，切屑堵塞會造成刀具劇烈磨損。

3、鈦合金的鉆削

鈦合金鉆削

1）小孔鉆削（非深孔鉆削）

鈦合金小孔鉆削宜采用四刃帶麻花鉆，為了加強小直徑鉆頭的剛性，將鉆頭作出四條導向刃帶，以加大截面慣性矩，提高剛性。四刃鉆頭的壽命比標準鉆頭高2.5～3倍，還可降低鉆頭折斷次數。在四刃鉆頭上自然的形成二條輔助冷卻槽。加注切削液后，切削區溫度比標準鉆頭降低15%～20%

2）深孔鉆削

鉆削L/D>5以上的深孔時，一般采用焊接式硬質合金槍鉆，可以取得良好的鉆削效果。

四 鈦合金磨削

（一）鈦合金磨削特點

1、生產率低，在保證零件所要求的零件加工質量的條件下，難以獲得較高的生產率。磨削時砂輪容易變鈍失效，磨削比很低，在相同磨削條件下磨削TC4的磨削比只有1.53，而45號鋼為71.5

2、磨削溫度高

鈦合金磨削時滑擦過程所占比重大，產生強烈的摩擦、急劇的彈性、塑性變形和大量的熱量，致使磨削區溫度很高。在相同條件下，磨削TC9的磨削溫度為45號鋼的1.5～2倍，最高可達1000°C

3、磨削力大

磨削鈦合金時，和一般磨削規律一樣，徑向力大于切削力，但磨削力比45號鋼大30%左右

4、砂輪磨損失效

磨削鈦合金時，除粘結，擴散之外，鈦合金還與磨粒起化學作用，加速砂輪的磨損過程

（二）鈦合金磨削時的砂輪選擇

1、磨料：綠碳化硅及鈰碳化硅磨料與鈦合金粘附較輕，砂輪不易堵塞，效果較好。金剛石和立方氮化硼超硬磨料對鈦合金穩定性好，效果也較好

（三）磨削液選擇原則

1、要求磨削液具有冷卻、潤滑和沖洗作用

2、要具有抑制鈦與磨料的粘附作用和化學作用

3、鈦合金磨削溫度高，鈦屑易燃，在使用油劑磨削液時，要防發生火災。

4、建議使用亞硝酸鉀溶液、亞硝酸鉀和甲酸鈉溶液，亞硝酸鈉溶液、亞硝酸鈉和甲酸鈉溶液，亞硝酸氨溶液或高氯化油等

五 總結

通過此次研制對材料的加工性能從理論知識和實際兩個方面有了更深的了解，拓寬了解決實際問題的思路，掌握了一些加工技術，積累了一定的經驗，對加工中出現的問題，提出了具體的有效的解決方法。

參考文獻

[1]胡永生編著，[機械制造工藝原理] – 北京理工大學出版社，1992

[2]吳佳常主編，[機械制造工藝學]-中國標準出版社，1992

[3]吳宗澤主編，[機械設計師手冊]– 機械工業出版社，2008

（作者單位：中國航發哈爾濱東安發動機有限公司）