钛合金紧固件在机械加工中存在的问题及措施

宋庆华

【摘 要】钛合金是一种变形系数小、强度较高、抗腐蚀性能好、低温韧性好、热强性好、以及焊接性能好的加工材料，其被广泛地应用于紧固件以及飞机起落架结构承力件的制作中，然而这种材料也有一定的缺点，其弹性模量小、导热系数小、容易燃烧和变形、效率低等各方面因素直接影响了其加工工艺和加工质量。因而对其在机械加工中存在问题进行分析，提高加工工艺质量水平对促进钛合金材料的运用是非常重要的。本文主要针对钛合金紧固件使用以及加工中存在的问题进行分析，并探讨提高加工工艺质量的有效措施。

【关键词】钛合金紧固件；机械加工；问题；质量控制；措施

0 前言

在飞机零件中，钛合金紧固件的运用可以使飞机增强抗腐蚀能力，还可以达到减重的目的，钛合金紧固件是碳纤维复合材料以及钛合金之间的必要连接件。现阶段，钛合金以及复合材料的运用范围逐渐增大，应用数量也在不断增加。

1 概述

1）钛合金紧固件的标准要求。钛合金紧固件一般需要进行固溶时效热处理，从而保证其满足660MPa的抗剪强度以及1100MPa的抗拉强度性能要求，钛合金制造的紧固件要对其进行详细的检查，除了观察外观是否存在损毁，还要对其进行机械性能以及冶金的检查。钛合金紧固件具有严格的材料标准以及质量、性能标准和要求，钛合金紧固件的加工技术条件要与AMS4967标准（丝材、退火、锻件和环形件、可热处理的钛合金棒材）中提出的相关要求相符合，该标准在材料的公差、尺寸、金相、外观、缺陷控制、以及机械性能等方面均有明确的标准要求和性能要求。

2 钛合金紧固件使用过程以及机械加工中存在的问题

1）腐蚀性能。在进行钛合金紧固件的安装时容易形成间隙，因而在金属与金属之间或者金属表面涂层裂缝下，一些容易受到影响的金属材料会发生一定的腐蚀。钛合金材料的抗腐蚀性能的主要原因是其表面有一层防护性氧化膜，如果这层膜受损，在氧气充分的条件下其可以自行进行修补，然而在钛合金紧固件实际使用过程中，由于环境条件的变化（如：某种介质浓度增加、温度升高、或与易腐蚀的金属发生接触），就会导致钛合金发生腐蚀。钛合金表面有一层钝化膜，如果长期在供氧不足的环境中，其钝化作用会降低，同时可能发生点蚀。此外，钛合金紧固件对于一些氢氟酸、非氧化酸、以及高温稀硫酸等缺乏一定的耐腐蚀性。

2）车削加工中存在的问题。在对钛合金进行车削加工过程中，主要的问题有刀具磨损严重、切削温度过高、以及切削回弹大等[2]。一般来说，在合理的机械加工条件中，车削工序并不困难，如果是对于大批量生产、连续切削、以及金属去除量比较大的切削，需要采用硬质合金刀具；而在成型切削或切断时需要对钢刀具进行合理调整，必要时采用金属陶瓷刀具。

3）镗削加工中存在的问题。镗削属于精细加工，在对钛合金产品进行镗削的加工过程中，在对钛合金进行铣削加工时，由于刀具每一转过程中只是部分处于铣削状态，因而容易导致刀具出现磨损或破损现象，在进行下一个铣削行程时，严重影响了铣削表面的粗糙程度。因而为了减少上述现象的发生，需要对镗削加工工艺进行改进和完善，提高钛合金紧固件的机械加工质量和水平。

3 提高钛合金紧固件机械加工质量的有效措施

由于钛合金材料本身存在加工性能差、导热系数小、效率低、弹性模量小、以及容易燃烧和变形等缺点，因而限制了钛合金材料的进一步应用。为了对其加工质量进行提高，优化钛合金紧固件的加工工艺，因而必须要对机械加工的流程以及各环节的质量进行严格控制，提高加工效率和加工工艺水平。其主要措施体现在以下几个方面：

1）设备控制

（1）设备要求。首先要控制好进给运动，确保其精确性和可靠性。其次在进行工件装夹位置以及切削工具的选择时，要考虑加工工件的刚度[3]。最后，在加工过程中要注意增加冷却液的流量和压力。

（2）刀具要求。由于钛合金紧固件化学亲和性比较高，因此在加工过程中尤其是切削过程中容易导致温度过高，降低刀具的韧性以及耐磨性，因此在刀具的选择上要尽量避免选用硬质合金刀具。在对其进行加工时，要考虑到零件的结构、毛坯表面的硬化程度、以及余量分布等因素，对涂层刀具类型进行合理选择，同时将加工工序分成粗加工、半精细加工、以及精细加工等几个阶段，以便于降低切削时的温度，确保刀刃锋利，提高刀具的使用性能。

（3）夹具要求。由于钛合金材料具有易变形以及弹性模量小等缺点，因此在对零件切削时的夹力不易过大，可以采用支承进行辅助，在对夹具进行设计制作时要考虑到零件的实际切削力，从而避免使零件发生变形。

2）材料控制

钛合金原材料在使用前要对其进行检验，保证材料的各项性能符合标准，主要对其进行产品合格证、锻件取样部位、标识、规格、试验类型、毛坯状态、数量、以及尺寸和力学性能等方面的检查。

3）加工环境的控制

首先要保证钛合金紧固件加工环境的湿度以及温度符合标准和要求，由于零件的化学亲和力比较高，因此在与其进行接触的夹具中不能选用铅、铝、锌等材料，以免二者发生化学反应。在对零件进行停放或周转的过程中要采取必要的防护措施。避免零件与其他金属粉末等进行接触而发生反应，对其 造成污染。

4）制造控制

（1）结构设计。在对钛合金零件进行半径设计时，要在其结构条件允许的条件下选用较大的值，钛合金零件表面的粗糙程度要小于或等于3.2m，如果是采用镗、铰等方法加工的孔，需要保证其表面粗糙度在1.6m以下。如果零件需要承受的负载比较大，需要在受拉力区域减少钉孔，此外还要尽量避免磨削加工方法，从而保证粗糙度的要求。

（2）制孔通用技术。首先是钻孔，在进行钻孔时要采用硬质合金钻头，或者采用氮铝化钛涂层钻孔刀具以及高速钢钻头等，保证孔的精确度。在使用高速钢钻头时，要保证后刀面磨损量在0.6mm以下，同时要保证其结构符合标准，禁止钻头不进给而在原地打转，避免加工硬化。此外，可以采用修磨锋利的钻头来减少螺纹底孔表面的加工硬化深度。

5）维护以及质量控制

（1）维护控制。首先要保证在生产以及加工过程中所使用的工具、设备、以及量具等无使用障碍，并且无污染，保持良好的使用状态，在规定的时间内，需要对其进行定期的合格检查。此外，还要对切削液进行定期的检查，确保切削液的润滑以及冷却性能。对于刀具的维护方面，应该定期对其进行质量检查，对出现问题的刀具进行修整或更换，保证其刀刃锋利，延长刀具的使用寿命。

（2）质量控制。由于钛合金材料具有导热性能差的特点，因此应尽量避免切削比较小切屑，避免堆积。同时要使用乳化液或者水对其进行冷却，避免发生火灾，一旦发生起火现象，可以采用滑石粉进行灭火。其次，在进行铣削加工过程中，要尽量避免刀具停止进给或主轴停转。钛合金紧固件的表面要避免产生裂纹或烧伤，由于其化学亲和性较大，因而要注意避免其与其他金属接触而发生化学反应。

4 结语

近年来，随着科学技术的发展，钛合金材料被广泛应用于飞机等航空零件的结构制造中，其具有很好的耐腐蚀性，加上（下转第86页）（上接第76页）其变形系数小以及强度高等优点，因而获得了有效的应用。然而，这种材料也有一定的缺点，一定程度上阻碍了其进一步的应用，因而需要对钛合金紧固件的加工工艺进行质量控制，不断提高机械加工水平和产品质量。

【參考文献】

[1]沙爱学.BTl6钛合金紧固件加工工艺分析[J].稀有金属材料与工程，2006，35：57-58.

[2]黄晓霞.钛合金紧固件的腐蚀及其防护技术[J].材料保护，2008，06：57-59.

[3]刘风雷.钛合金紧固件涂铝技术[J].航空制造技术，2013，11：66-68.

[责任编辑：田吉捷]