淺談鈦合金在切削加工中的特性

王玉春，田永久，江 帆

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

1 鈦合金的金屬屬性及化學特點

鈦合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右，僅為鋼的60%，純鈦的密度才接近普通鋼的密度，一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其他金屬結構材料，可制出單位強度高、剛性好、質輕的零部件。飛機的發動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。另外在汽車零部件、醫療器械、電子3C行業，鈦合金也有廣泛的應用[1]。

鈦的導熱系數λ=15.24W/（m.K）約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細長桿和薄壁件，切削時加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結磨損。

2 鈦合金切削性能和自身特性

鈦合金的硬度大于HB350時切削加工特別困難，小于HB300時則容易出現粘刀現象，也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個方面，關鍵在于鈦合金本身化學、物理、力學性能間的綜合對其切削加工性的影響。下面分析一下鈦合金的自身特性：

第一，鈦合金部件的變形系數較小，幾乎為1或者無限接近于1。那么在切削過程中會由于前刀面上滑動摩擦的路程大大增大，從而加大了刀頭的磨損。降低刀具的使命壽命。

第二，由于鈦合金自身具備熱導系數低的特點，那么如果在切削過程中，溫度過高，會使切削加工的過程中產生的熱量是不容易傳導出來的，溫度會在切削接觸處以及切削變形區域，如果導致切削刃的刃口位置的溫度較高會降低切削刀具的使用壽命。在相同的切削條件下，切削溫度可比切削45號鋼時高出一倍以上。

第三，單位面積上的切削力大：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，要求工藝系統應具有較好的剛性。

第四，由于鈦的特殊化學性質，使得鈦合金在較高的切削溫度下容易與空氣中的氮氣、氧氣結合形成較為清脆的外表皮，更重要的是在切削的過程中由于塑性變形也會造成表面硬化。由于以上兩種情況會導致鈦合金部件的疲勞強度降低，影響壽命周期，也會縮短切削刀具的使用時間。

圖1 高溫下鈦合金切削后形態

第五，在切削過程中，由于鈦合金部件毛坯件在沖壓、鍛造、熱軋等工序后容易導致不均勻的硬脆外皮，非常容易導致崩刃，所以在太合金部件切削之前需要清楚硬脆的外皮，這個工序是非常困難的。同時鈦合金對刀具有一定的粘結，在化學中也叫親和性，在切削過程中由于溫度升高會這導致粘結，刀具受損，降低使用壽命[2-4]。

由于鈦合金自身的化學特性，導熱系數較差，所以在切削加工的過程中產生的熱量是不容易傳導出來的，溫度會在切削接觸處以及切削變形區域，如果導致切削刃的刃口位置的溫度較高會降低切削刀具的使用壽命。對于鈦合金Ti6Al4V來說，在不考慮切削機床功率及切削刀材質的情況下，切削過程溫度的高低是影響刀具使用壽命的直接和關鍵因素。

表1 鈦合金的化學組成成分

表2 鈦合金在不同溫度下的性能

3 鈦合金在切削過程中工具的選擇

鈦合金在切削加工過程中需要考慮兩方面內容：減少粘結、有效降低切削溫度。同時在選取加工刀具時要傾向于：抗彎強度高、導熱性強、硬度高的，同時要與鈦合金和性差的材料為加工刀具。那么采用硬質的刀具是比較好的選擇，質硬又能耐熱是最為鈦合金制品最好的切削工具了。在化學性質上，可以了解到YT類的硬質金屬容易與鈦合金產生融合效果，這種情況會使刀具產生粘結現象，所以不適合用于鈦合金制品的切削。對于復雜、多刃刀具，可選用高釩高速鋼(如W12Cr4V4Mo)、高鈷高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8)或鋁高速鋼(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料，適于制作切削鈦合金的鉆頭、鉸刀、立銑刀、拉刀、絲錐等刀具[5]。

圖2 鈦合金切削使用的刀具

4 鈦合金在切削過程中的預防措施

由于鈦合金本身具備比強度高、耐腐蝕性極好，同時又具備極好的機械性能所以在切削的過程中需要預防和避免以下幾個方面：

1.預防變形。鈦合金具有比強度大、彈性模量小，同時機械性能和耐腐蝕性能都比較強，由于自身的化學特性，鈦合金部件在加工過程中容易出現變形，從而降低加工精度，，所以在加工過程一定要注意夾具不可過緊，造成不必要的變形，必要時需要采取輔助支撐，降低夾具對其的應力[6]。

2.預防產生氫而引起腐蝕。切削液有兩種含氫和不含氫兩種，在切削過程中盡量使用不含氫的，由于在切削過程中出現高溫，高溫下分解產生的氫氣容易被鈦吸收形成氫脆，鈦合金制品在高溫下容易產生腐蝕。

3.注意防止有毒害物質。切削液中是含有氯化物成分的，眾所周知氯化物是有毒的，可以分解和會發出有毒害氣體。所以在使用的過程中需要具備安全防護措施，佩戴安全防護設備。切削后的需要及時用不含氯化物的清洗液對部件進行徹底清洗，徹底清洗部避免氯化物的留存。

4.禁止其他金屬的使用。在化學成分中，鉛、鋅基合金成分的金屬工具、工裝、夾具等不允許與鈦合金接觸和使用，會有一定的危險。

5.確保切削工具的清潔。在鈦合金切削的過程中，與其接觸的相關所有工裝、工具、夾具等設備裝置都需要清潔無污物，鈦合金部件需要經過仔細清洗，操作過程中需要佩戴手套確保表面無油脂污染、無指印污染，避免造成后期腐蝕[7]。

6.預防產生爆炸等風險。通常情況來說，在鈦合金部件發生切削過程中是不存在產生火災的危險，但是如果是微量切削可能會存在一切細小切屑，會有一定的發火燃燒的可能性。為了杜絕可能引起的火災風險，可以通過：一是澆注切削液、清理機床上的堆積切屑、及時更換新刀具、有效降低切削頻率、有效增加切削厚度等方式來有效避免引起火災風險。因為一定引起了火災會導致結果很惡劣。如果突發火災情況需要立即用滑石粉、石灰石粉末、干砂等滅火器材進行撲滅，嚴禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器，也不能澆水，因為水能加速燃燒，甚至導致氫爆炸。