钛合金零件加工技术研究

王健

摘要：钛合金加工时的切削力只是略高于同等硬度的钢，但是加工钛合金的物理现象比加工钢要复杂得多，从而使钛合金加工面临巨大的困难。钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。

关键词：钛合金;零件;加工;技术;

一、钛合金主要特点

（一）强度高。钛合金是广泛地运用于航空航天技术领域的高性能材料，具有高强度特性。钛相关合金材料已有数百类，它们有密度小，比强度高，耐腐蚀性好，高温和低温力学性能优良，生物相容性好等特点，被广泛应用在各个领域，产生了巨大的社会及经济效益。钛合金即使在450～600℃时仍然能够具有良好的强度表现，工作温度远远高于铝合金（工作温度210℃），能够在高温环境下保持稳定的工作状态。同时钛合金的低温性能也同样良好，TA7钛合金在-258℃仍然可以保持其力学性能。一般钛合金零件形状复杂，包含许多细密或深长的型腔、薄壁、斜面等，并且尺寸精度要求高，形位公差要求严，零件的加工稳定性很难保证。

（二）高断裂韧性。大多数的钛合金的热导率很低，只有钢的1/8，铝的1/17。因此，在切削钛合金过程中产生的热量不会迅速传递给工件或被切屑带走，而集聚在切削区域，所产生的温度可高达1200℃以上。高断裂韧性是指材料在经受外力作用下抵抗永久性变和断裂的能力，同时表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，韧性越好则越不容易发生脆性断裂。从定义上看不出强度和韧性可以反向相互作用。随着钛合金的广泛应用，由于其材料强度高，化学活性大，弹性模量较低等原因，其材料的难加工性越来越引起机械加工领域的关注。但是，钛合金零件的车削加工却非常困难，令机械工艺师们望而生畏，他们认为，钛合金的超级性能大大削弱了其可加工的“能力”，使其切削加工极具挑战性。

（三）抗腐蚀性。钛是具有强烈钝化倾向的金属，在空气中和氧化性或中性水溶液中能迅速生成一层稳定的氧化性保护膜，即使因为某些原因膜遭破坏，也能迅速自动恢复。钛合金具有良好的耐腐蚀性能和突出的力学性能，在航空航天、化工、医疗等领域均有广泛的应用。因此钛在氧化性、中性介质中具有优异的耐腐蚀性。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。

（四）可焊接。钛合金是以钛元素为基础加入其他元素组成的合金。钛合金材料因比強度高、密度小、耐腐蚀、耐高温和焊接性好等优异性能，在航空领域得到越来越广泛的应用。钛合金切削时变形系数小，使得切屑在前刀面上滑动摩擦路程增大，加速刀具磨损。钛合金导热系数小，切削时产生的热量不易传出。钛有两种同质异晶体：钛是同素异构体，熔点为1658℃，在低于852℃时呈密排六方晶格结构。工业纯钛是按照杂质元素的含量划分等级的。它具有优良的冲压工艺性能和焊接性能，对热处理及组织类型不敏感，在令人满意的塑性条件下具有一定的强度。它的强度主要取决于间隙元素氧、氮的含量。它在海水中具有高的抗腐蚀性能，但在无机酸中较差。

二、

（一）切削力计算。由于钛合金薄壁零件的弹性模量较低，已经加工完成的零件表面会产生较大的回弹，这样会直接导致已加工表面与刀具的后刀面接触面积增大，会对薄壁零件的加工质量的造成非常大的影响，使得零件的加工精度急剧下降。主切削力比切钢时约小20%，由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。零件加工过程中，紧力与切削力间力的波动效应会产生耦合作用，从而导致加工残余应力和零件内部初始残余应力重新分布，这也会对零件的加工质量带来影响。

（二）合理的切削方式。钛合金材料的高效切削技术是行业内重点关注的关键技术，充分体现“科技是第一生产力”的内涵。因此，高效切削参数试验数据的选取需要分阶段逐步提升，谨慎而行，不可能在较短的周期内快速提高。往往需要多个批次、多个零件的加工验证，乃至持续数年，从验证机到原型机，甚至产品进入定型阶段还在进行提高加 工效率的精益改善。适宜的切削参数，确定切削参数可参考一下方案：较低的切削速度――切削速度高会导致切削温度急剧升高;适中的进给量――进给量大则切削温度高，进给量小则刀刃因在硬化层中切削时间长而磨损加快;较大的切削深度，刀尖越过钛合金表面的硬化层切削能提高刀具寿命。例如，在精铣削整体叶盘的轮毂与叶片型面时，需要采用整体硬质合金直柄球刀。当两叶片之间间距过于狭窄或叶片根部与轮毂转接R较小时，刀具直径减小。为增强刀具的刚性和提高加工效率，往往采用锥柄球刀。特别是在使用大长径比刀具的工况下，和直柄球刀相比，锥柄球刀使刀具系统刚性增强，可以使刀具每齿进给量增大，加工时不易折断，效果远远好于直柄球刀。

（三）刀具的选择。钛及钛合金某些物理机械性能给切削加工带来了困难，是属于难加工的金属材料之一。在切削钛及钛合金，刀具材料选择基本要求是，要有足够的硬度（冷硬性）、足够的强度的韧性、足够的耐磨性、足够的耐热性。必须考虑钛的特性，选择适合切削加工方法，掌握一定的加工技术，选择好刀具材料。在相关的切削过程中，最重要的因素是工件和刀具，此外还应考虑刀具、工件夹紧和冷却润滑液等其它因素。工件表面加工质量取决于加工过程中的加工精度，如切削参数（vc， f， ap）选择不正确、加工系统的振动、刀具的磨损都会导致表面加工质量下降。尽可能使用硬质合金刀具，钨钴类硬质合金具有强度高、导热性较好的特点，与钛高温下也不易发生化学反应，适合用来加工钛合金。

（四）合理选择几何参数。合理选择刀具几何参数，为降低切削温度，减少刀具粘结现象，可适当减小刀具前角，通过增加切屑与前刀面的接触面积来散热。选择适当的进给量，过低会导致切削硬化层时间较长而损坏刀具，过高则会造成切削温度升高。切削深度应保证刀尖能够超过表面硬化层，从而延长刀具寿命;保持较高的切削液流量与压力，从而使加工区域能够快速、连续的进行冷却。切削速度的设置宜低不宜高，如果速度较高则会出现加工温度迅速提升的问题，影响加工效果;选择适当的进给量，过低会导致切削硬化层时间较长而损坏刀具，过高则会造成切削温度升高。切削深度应保证刀尖能够超过表面硬化层，从而延长刀具寿命;保持较高的切削液流量与压力，从而使加工区域能够快速、连续的进行冷却。由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮;同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损，是切削钛合金时的一个很重要特点。

（四）合理选择机床。钛合金梁类结构件加工工艺复杂，如采用传统的加工机床，需经过多次装夹、多工位加工，加工周期需要28天。所以，钛合金零件加工的机床-夹具-刀具的系y刚性要好，机床各部件间的间隙要调整好，主轴径向跳动要小，尽量采用这样机床。有利于切屑掉落排送，能有效减少切屑二次切削和工件二次热变形，延长刀具使用寿命，提高零件加工质量。有利于高压大流量液压冷却系统更有效发挥作用，加快排屑，保持机床运行精度，延长刀具使用寿命，提高零件加工质量。

三、结束语

总之，钛合金在抗腐蚀性、比强度、比刚度、结合性等方面具有明显的优势，且高温下变形小，蠕变性和抗疲劳性高。基于钛合金的各种优点，其被广泛的使用在国防产品加工生产中，钛合金构件占据的比例高达所有构件比例的91%。所以，在钛合金零件的加工中，要根据其自身性质特点以及加工特性进行分析，采取科学的加工工艺，从而为加工质量和效果提供有力的保障。

参考文献：

[1]陈博，基于响应曲面法的钛合金TC4切削力试验研究[J];科技视界;2018年20期

[2]李峰，基于响应曲面法的强化感应加热数值仿真[J];清华大学学报（自然科学版）;2017年04期