鈦合金切削質量的影響因素與改進措施

■大連長豐實業總公司 （遼寧大連 116038） 孟慶國 晁耀杰 王大宏 單 彬 楊峻嶺

鈦合金材料具備比強度高、耐高溫性好、抗腐蝕等優良的物理、化學性能，被廣泛應用于航空航天、石油化工、海洋、能源和交通運輸等工業領域。隨著現代飛機對隱身、抗疲勞和高強輕質等性能要求的不斷提高，鈦合金在飛機制造領域的應用日益廣泛，飛機上采用機械加工的零部件所占的比例也相應增加，但基于鈦合金本身的物理性質，其切削加工性較差，加工過程中導熱性較差，切削時材料黏度較大，導致大量鈦合金關鍵零件、重要零件的切削難度非常大，加工精度不容易保證，因此在飛機制造和修理領域中解決上述鈦合金精密切削過程中存在的問題，對突破鈦合金機械加工的技術瓶頸至關重要。

1. 鈦合金零件切削加工的影響因素

鈦合金不同于鋁合金、合金鋼和鎂合金等金屬材料，在高速切削情況下，無法保證其加工精度和加工質量。造成其加工難度大的影響因素主要有以下兩個方面：一是材料的固有屬性；二是航空結構件的特殊性能要求。

鈦合金材料的固有屬性體現在以下幾方面：①由于鈦合金的導熱性差，摩擦因數大，導致切削熱不易傳出，且集中在切削區和切削刃附近的較小區域內。高溫下切削刃的硬度降低，造成刀具壽命的縮短，嚴重時會直接影響加工零件的精度。②鈦元素化學性質活潑，在300℃以上，鈦原子容易與大氣中的氫、氧及氮等非金屬元素發生強烈的化學反應，形成表面硬化層，在切削熱的作用下，該部位溫度升高，更容易與空氣中的CO2和油脂中的碳元素發生化學反應，當含碳量＞0.12%時，會形成Ti C硬質碳化物，進而加速切削過程中刀具的磨損。③鈦合金對含鈦元素的刀具材料具有十分強烈的化學親合作用。④彈性模量E數值較小，抗拉強度與屈服強度比值較小，進而導致在機械加工過程中刀具會隨著工件的轉動發生較大的回彈，從而增加了切削摩擦力，加速刀具磨損，影響加工精度。

鈦合金航空結構件的特殊性要求，主要體現在以下三方面。

1）結構復雜，尺寸較大，切削精度與質量有嚴格的要求。

2）在滿足抗拉強度、屈服強度、疲勞強度和彈塑形極限等材料特性的前提下，為了進一步滿足飛機局部對靜載和動載強度的要求，筋板加強結構和薄壁槽腔結構在飛機結構中比較常見，如果采用機械加工方式進行成形制造，從板料到成品，去除量很大，加工過程也容易產生較大變形，產品精度難以保證。如圖1所示為某型飛機TA15鈦合金防護柵局部示意圖，圖2為薄壁槽腔結構示意圖。

3）加工應力大，易變形，加工尺寸難保證。如圖3所示為TC6鈦合金長軸類零件圖，該零件具有加工成本昂貴、尺寸要求精密、外形復雜、加工難度大、除屑率高、加工應力大及易變形等特點。產品在加工過程中要考慮應力變形因素的影響，否則極易因變形造成報廢。該產品長軸車削加工以及磨削同軸度、圓跳動的保證是研究的重點，對技術手段、生產條件都提出了很高的要求。

圖1 鈦合金防護柵局部

圖2 薄壁槽腔結構示意

圖3 鈦合金TC6長軸類零件示意

2. 鈦合金切削加工改進措施

為了保證鈦合金零件的切削加工質量，基于此類材料切削性能的影響因素，可以從刀具選擇、切削參數調整和工裝夾具設計三方面對切削性能進行改進。

（1）刀具材料的選擇 根據鈦合金材料的屬性特點，刀具的選擇應從降低切削溫度、減少粘刀磨損等方面來考慮。

根據硬質合金刀具材料的組成特點，Y T類刀具中含有Ti元素，對加工的鈦合金零件具有親和作用，容易粘刀，損壞刀尖，因此加工鈦合金時，不應該選擇YT類硬質合金刀具。當采用lm/s以下的低速切削加工時，選用YG類刀具。為了保障鈦合金的高速切削質量，加快加工過程中切削熱量的散去，可以采用YG8刀具進行粗加工和斷續加工，選用YG3刀具進行精細加工和連續加工。

基于以上的論述，鈦合金刀具材料需要滿足以下特點：①高硬度且具備足夠的強度和韌性。②高耐磨性。③刀具材料與鈦合金親合能力差，不與鈦合金材料發生熔敷、擴散。

（2）合理的切削參數選擇與工序安排 刀具切削參數的選擇對鈦合金加工過程的可靠性和加工質量有著重要的影響，尤其是切削前角、切削后角和切削刃圓弧半徑。切削刀具和切削前角γo、后角αo示意如圖4所示。

在切削過程中，切削摩擦生熱，一部分機械能轉化為了熱能，且鈦合金導熱能力較差，熱量集中，導致切削工件溫度升高，溫度升高后，新鮮的切削金屬表面與空氣中的氧、氫、氮等元素發生反應，形成了硬而脆的化合物，切削難度增大，故刀具會發生磨損且磨損位置是前刀面。根據力學計算，數值較小的前角γo可以降低作用在前刀面上的摩擦力，進而有效降低刀具磨損。此外，降低前角γo的數值，可增加切屑與前刀面的接觸面積，既能降低刀尖部位的應力集中，又能加快散熱，進而降低切削過程中的崩刀幾率。研究表明，當前角γo為28°～30°時，刀具的耐用度最高。切削后角αo作為鈦合金機加過程最敏感的參數，αo數值越大，刃口越易切入金屬層，但αo數值過大時，切削刃容易崩碎。根據加工經驗，后角αo選取15°，既可保證切削刃的鋒利性，也可降低刀尖的溫度，增加刀具的耐用性。根據實際生產經驗，切削刃圓弧半徑r增大，可以減少刀具的崩落現象。這是因為切削圓弧的曲率半徑增大，切削應力集中系數下降，進而降低加工應力，并提高了刀具使用壽命。

由于鈦合金材料強度高，導熱系數低，因此在切削加工過程中，易于在切削區域形成高溫，散熱慢，不利于熱平衡，散熱和冷卻效果很差，加工后零件變形回彈大，因該原因引起的變形，導致多次加工的零件成批報廢。為了避免該問題的發生，可以從加工工序上進行合理安排。經過反復的測試與驗證，加工鈦合金零件需要小進給量切削，并且預留0.5～1m m加工余量，經過消除應力熱處理后，才能進行精加工，精加工后還需進行消除應力熱處理，這樣可以有效地解決加工應力變形問題。

（3）工裝夾具設計 以圖3所示的鈦合金T C6長軸類零件為例，該零件在切削加工后需要鍍硬鉻后保證φ 3 4 h 8 m m 要求，通過頂尖兩端頂起外磨2處φ 3 4 h 8 m m 后測量發現，兩端φ 34h8mm尺寸圓跳動超差，并且鈦合金切削過程中機床頂尖產生磨損，但更換硬質頂尖后，產品兩端頂尖產生磨損，通過添加潤滑油等方式均無法解決該問題。經過反復試驗與測試，鈦合金和機床頂尖發生的磨損，使鈦合金具有從周圍大氣中吸收氧和氫的能力，產生組織的α化，并使加工表面強化，當更換的頂尖硬度大于表面強化硬度時，產品本身就會發生磨損，而且在外圓磨床上加工的所有類型鈦合金均會出現該問題，加工現場如圖5所示。

為了避免機床頂尖與產品產生互磨，將外圓磨床進行改造，兩頂尖改裝為活頂尖，如圖6所示。工件和頂尖一起旋轉，這樣就避免了機床在旋轉過程中與零件產生的摩擦，保證了產品的同軸度，而且解決了所有鈦合金外圓切削同軸度的問題。

圖4 切削刀具示意

圖5 傳統磨削加工

圖6 活頂尖示意

3. 結語

鈦合金切削質量的影響因素有：大氣中的碳、氫、氧及氮等元素會造成冷硬現象；鈦合金的導熱性差，嚴重影響切削刀具壽命和加工精度；碳元素的引入造成鈦合金的可切削性下降，同時加速刀具磨損；鈦合金對含鈦元素的刀具的化學親合作用會加速刀具磨損。針對以上影響因素，合理選擇刀具材料、切削參數、工序和工裝夾具等，可改善切削加工性能。