简述钛合金材料的机械加工工艺

张伟

(宁波技师学院,浙江宁波 315032)

简述钛合金材料的机械加工工艺

张伟

(宁波技师学院,浙江宁波 315032)

钛合金材料具有抗蚀性能好、力学性能佳、强度高、质量轻等优点,因此被广泛应用,但钛合金材料也具有硬度高、塑性低、导热系数低、弹性模量低等缺点,所以钛合金材料的切削加工性能较差。为此,本文就钛合金材料的机械加工工艺进行介绍。

钛合金材料 机械加工 切削加工

1 引言

钛合金材料具有诸多优缺点，而其缺点包括硬度高、塑性低、导热系数低、弹性变形大、弹性模量低等。因此，钛合金加工过程，导热系数小定会使材料的切削温度过高；比热小定会使材料的局部温升过快，进而降低刀具的使用寿命；弹性模量低定会加剧材料表面的加工回弹，进而导致刀具磨损或者崩刃；高温环境里，化学活性强定会加剧其与氮、氢、氧间的化学作用，进而增加机械加工的难度。此外，钛合金加工过程，切削条件、刀具材料、切削加工时间均会对切削加工的综合效率造成影响，因此钛合金材料切削加工过程，必须对相关方面进行严格控制。

2 钛合金材料的机械加工工艺

钛合金材料的机械加工工艺种类繁多，比如电火花加工、铣削、车削、磨削、钻削、攻丝等。钛合金材料的机械加工过程，刀具材料、切削液、加工工艺参数、刀具几何参数均属重要的影响因素，因此必须予以高度重视。

(1)切削液。钛合金材料的切削加工过程，切削液的使用既能降低刀刃的热量，也能冲走切屑，进而实现切削力的降低，可见切削液的使用必须合理，如此方能实现零件加工表面质量以及生产效率的改善。目前，常用的切削液包括非水溶性油质溶液、水基可溶性油质溶液、水或碱性水溶液三种。(2)刀具材料。由前文可知，钛合金材料具有硬度高、塑性低、导热系数低的缺点，因此加工过程势必表现出切削温度高、切削力度大的特点，进而加剧刀具的磨损以及降低刀具的使用寿命，可见所选刀具材料必须具有耐磨性高、硬性强的特点。目前，常用的刀具材料包括高速钢牌号、硬质合金牌号、涂层刀具(抗粘结性能强、抗氧化性能强、耐磨性好等)、立方氮化硼刀具(热硬性高、硬度高等)、聚晶金刚石刀具(硬度高、耐磨性高、导热性高、摩擦系数低等)五种。(3)刀具的几何参数。钛合金材料的粗加工过程，尽量选用前/后角小、刚性高的刀具，比如钛合金TC4的粗加工，前角取0～3°。钛合金材料的精加工过程，尽量选用刀刃较锋利、刀齿较密、前/后角以及螺旋角偏大、刀刃负倒棱小或者无倒棱的刀具，比如钛合金TC4的精加工，前角取8～15°。若选用镗刀或者圆车刀加工钛合金，前/后角分别取10～15°、8～14°，刀尖圆弧半径取0.2～0.6mm；若选用螺纹车刀，前/后角分别取0°、10°；若选用成型车刀，前/后角分别取5°、10°。钻头的设计必须满足排屑流畅性的要求，即螺旋角取25～30°、就钻头螺旋槽进行抛光处理、钻芯厚度取1/4钻头直径；根据实情就横刃进行修磨，以确保钻头的强度以及定心作用更好，此外钻头顶角取135～140°、钻头后角取12～15°，以增加切削的宽度以及厚度。铣刀的设计必须满足钛合金的切削要求。就立铣刀而言，前/后角分别取6～8°、6～12°，螺旋角取35～40°(前段取3°)，而刀尖圆弧半径取0.5～0.6mm。攻丝的切削环境往往保持着半封闭状态，因此切削液顺利流至切削区的难度较大，且润滑以及散热效果较差，外加钛合金仅有较小的弹性模量，如此极易引起丝锥扭断或者崩齿。针对该情况，优化攻丝的几何参数尤其重要，即切削锥部分后角取6～12°，前角取7～10°，切削锥角取5～7°30′，校正齿型面铲后角取1°。铰刀的设计必须符合钛合金弹性模量较小的特性，即铰刀的前/后角分别取3～5°、10°，切削刃宽度取0.15mm。(4)钛合金材料的切削加工工艺参数。针对断续切削以及连续切削的情况，车削的工艺参数详见表1、表2。

表1 车削的工艺参数

钛合金钻削加工过程，时常会出现断钻以及烧刀现象，而此现象的成因包括钻头刃磨欠佳、冷却不佳、排屑不及时、工艺系统刚性差等。针对上述情况，必须对下列方面进行严格控制：一是勤退刀以及及时清除切屑，同时对切屑的颜色以及形状进行跟踪观察；二是加足切屑液；三是把钻模与工作台固定起来，同时钻模引导与加工表面应尽量贴近，以缩短钻头；四是手动进给过程，孔内钻头应前后运动，以免因钻刃摩擦加工表面而造成钻头变钝。铣削要求进行断续切削，因此铣削过程时常出现铣刀崩刃、切削与刀齿粘结等现象，而粘结严重者甚至会损伤刀齿或者引起崩刃。针对此情况，最好采取顺铣的切削方法，因为顺铣切削较平稳，且刀齿切削路径较短，同时从厚至薄的切削顺序能够有效控制切削粘结现象的出现，如此既能控制铣刀的磨损量，又能增强刀具的耐用度以及降低加工表面的粗糙度。切削锥角尽量大些，而锥度部分取3～4扣螺纹长度为宜。此外，切削锥部分应尽量磨出负倾角，以方便排屑；尽可能使用短丝锥，由此实现丝锥刚性的增加；丝锥的倒锥部分尽量大些(较标准值)，由此控制工件与丝锥间的摩擦。钛合金磨削时常因粘屑问题而导致零件表面烧伤或者砂轮堵塞，因为钛合金导热性较差，定会加剧磨削区的温升，进而引起钛合金与磨料粘结或者发生化学反应，如此知道烧伤工件的加工面以及降低零件的疲劳强度。针对上述情况，常见的控制方法为优化磨削的工艺参数，比如：砂轮材料——绿碳化硅TL；砂轮硬度——ZRI；砂轮速度——10～20m/s；砂轮粒度——60，此外进给量尽量控制到较低水平，同时用乳化液进行完全冷却。就钛合金的攻丝而言，应优选跳牙丝锥，注意齿数取2～3齿。

3 结语

综上所述，钛合金材料具有诸多优缺点，而其缺点严重影响着钛合金材料的切削加工，因此钛合金材料的切削加工过程，必须充分考虑到可能的影响因素以及必须满足的特性要求，尤其应从刀具材料、切削液、加工工艺参数、刀具几何参数方面对钛合金材料的切削加工进行控制，以提高钛合金材料加工的综合效率。

[1]李富长,宋祖铭,杨典军.钛合金加工工艺技术研究[J].新技术新工艺,2010(5).

[2]周宇.新型医用钛合金的制备、热机械加工工艺及表面生物活化研究[D].2010.

[3]王国彪.钛合金壳体件数控加工工艺研究[J].现代制造技术与装备,2012(2).

张伟,1981年1月出生,性别:男,民族:汉族,籍贯:吉林省四平市,学历:大学本科,职称:讲师,工作单位:宁波技师学院,研究方向:机械设计方向。