钛合金材料的机械加工工艺思考分析

杨帅

摘要：钛合金材料相比其他合金材料其耐热性较强，抗腐蚀以及导热性佳，在各个领域都有应用，本文尝试就钛合金材料相关的机械加工展开工艺方面的分析。

关键词：钛合金材料;机械加工;加工工艺

钛合金加工往往对环境要求较高，且有较复杂的工艺，在钛合金这一材料最早被发现上世纪五十年代，就已经被相关人员应用在多个领域，且实际效果非常显著，随后因这一材料在耐热、导热和抗腐方面的优良表现，引起各界关注并被很多领域广泛采用。

一、钛合金材料的一些特性及应用

钛合金的强度与密度比很高，在航空、航海、军工及化工等等范围内已经处于不可替代的位置，尤其是热处理之后的钛与某些元素（铝、铬、钒、锰等）的合金强度极限能够达到1100Mpa-1400Mpa。

1.钛合金材料的优点。钛合金材料密度大概是4.5gcm³，钢的60%左右，大部分合金结构钢都不及钛合金的高强度，密度方面纯钛与普通钢较接近。钛合金热强度比铝合金材料相比超过了几百度左右，资料显示铝合金钛合金最高工作温度可达到500℃，可以长时间在450℃左右长期工作;铝合金在温度达到150℃的时候比强度开始下降，其工作温度在200℃以下。另外，钛合金的抗腐蚀性能也非常好，处于潮湿环境的大气或是海水介质环境，相比较不锈钢来说钛合金材料的抗腐蚀性能要高很多，尤其是在抵抗酸腐蚀、点腐蚀等方面抗力尤其强，如：硫酸、硝酸等产品有较佳的抗腐蚀能力。在低温或者超低温的环境中工作，钛合金材料能够保持力学性能，比如TA7材料，能够在-253℃的环境中依旧保持一定塑性。钛合金材料中钛的化学活性比较大，空气中的氧气、氢气、一氧化碳等成分能与其产生强烈反应。

2.钛合金材料的缺点。钛合金材料价格昂贵，与其他材料化学高温反应较差，易造成模具损坏等限制，阻碍了其在一定范围的应用。

3.钛合金材料当前主要用途。航空和航海领域的发展需求促使钛合金增长飞快，钛合金的牌号也随之增加。在航空领域中，钛合金主要用于做飞机发动机部件：压力容器、构架，还可以做火箭、导弹结构件;工业领域中，钛合金可以用来制作电极、冷凝器、环境污染控制装置等等。总體来说，钛合金在船舶、航空、化工和医疗器械等领域都有广泛应用。

二、钛合金的加工

钛合金材料的加工对环境要求非常高，其工艺也较为复杂，每一道程序应循序加工的原则流程，加强管控的同时选用合理的筛选，避免加工质量造成的损失。生产线质量是由操作原则决定的，所以铝合金加工需遵循操作原则。

1.器具方面。铝合金的加工过程中会涉及到很多器具的选择使用，最多的就是刀具材料的选择，在选择刀具的时候首要考虑刀具本身性能，结合铝合金特点进行评估测试，加工过程中更好进行切割的刀具优先选择。另一方面，加工所涉及到的成本问题是保证刀具质量和合理性的前提下的另外一个问题，要尽量符合经济性原则。加工中关于刀具要进行重点检查，尤其是在厚度和长度方面，可以尝试增加厚度，缩减长度，以便于使刀具的刚度增强，减少和降低相关损耗，延长刀具的使用寿命。

2.切削方面。钛合金的加工质量受切削条件影响比较大，所以在加工中对系统相关需求要予以综合性的全面考虑。如：加工中可能出现的机床部件稳定度不够的情况可以通过调节机床结构来解决，保障钛合金加工质量。与其他的材料对比之下，钛合金的差异性比较大，所以切削方面不能根据其他的标准进行切割，要严格把控钛合金的特性进行，如若没有严格控制可能会在加工中影响切削进度或质量。钛合金在加工过程中对切割力度和速度也要予以控制，主要遵循三点把控原则：首先，降低切割速度且保证匀速切割，如果切割速度过快会使削切刀具温度升高从而影响削切刀具的刚度，导致刀具使用寿命缩减。其次，从切削速度把控为基础合理控制操作深度，操作中要对刀具与材料内部接触情况进行关注，以刀具与材料内部的接触来提高切削质量，并避免刀具出现崩、坏等问题。钛合金硬度不低于HB350的时候切削加工比较困难，低于HB300时则比较容易出现粘刀情况。而变形系数小、切削温度高等，都是导致钛合金加工难的因素。

选用材质S30T和S40T能够实现高效率钛合金铣削，具有更长的刀具使用寿命，还有较强的抗疲劳能力，同时刃口安全性也较好。

3.热处理方面。在加工中难以避免因加工对钛合金造成的损坏，想要将这个问题控制在理想范围内，可尝试从热处理方向着手，通过热处理转变材料的一部分性质，除此之外，材料的热处理还能够实现顺利切削。在对整个钛合金切削过程中实施管理的严格控制，保证切削在规定范畴内，避免相关机械设备损坏造成企业的损失，保证加工效率及时在规定期间完成工作。

4.切屑方面。切削环节中的切屑也是需要重点强化的，这个问题是由钛合金材料的本身特性决定的，同时也与切削过程中机械设备等特点相关。所以能否保证切屑这一方面的加工，根据加工需求对断屑设定方案，控制好切屑，是实现有序加工的关键一步。

三、加工工艺

1.进行切削液处理。钛合金的加工过程中会产生热能和切屑，如果想要控制这些热能和切屑，可以进行切削液处理。切削液的处理中，首先应注意适当的进行冷却降温控制，其次是选择加工所适合的切削液，如碱性或油性切削液的选择。国外大部分企业目前使用最多的就是冷却液，不仅能够使钛合金材料表面更加坚固，还避免了高温等条件的影响。使用之后需要注意，须及时清理盐层。我国在冷却液的使用方面需要加大研究力度，对国外优秀案例和经验予以借鉴。还有一些企业对润滑剂展开了系列的研究，限于这一类的产品多为固体易造成机械设备损耗，所以在润滑剂使用方面还需要进一步的深入探讨。

2.进行几何参数处理。加工需求不同的情况下，刀具的需求和选择也会有所不同，车刀主要适用于钛合金的粗加工环节，加工中对不同角度、尺寸问题需要重点研究，但车刀也同样能够用于精细加工，需要在加工时控制好钛合金表面光滑程度，保证刀具足够锋利。钻头也是加工中比较常用的一种刀具，这一类型的刀具在加工用着重关注切屑和冷却，控制好螺旋角度问题。丝锥这一类的刀具在加工效果方面比较突出，与钻头相同之处是都需要控制好角度，尤其丝锥刀具前角一般控制在九度以内，后角把控不超过十一度。铰刀在加工中使用要严格控制前后角分别为五度、十度。

3.进行工艺参数处理。加工硬度较高的钛合金时半径和速度要加以控制，参考工艺参数，比如说TC4的切削速度必须控制在60mm/min左右。再如在10mm一下钛合金管道的焊接中，应在合理工艺参数范围进行控制，选用小线能量焊接，控制在6-35kj/cm，小电流模式慢速焊接，避免高温时间过长控制层间温度低于200℃。钻削中经常会出现烧刀，主要因素是冷却环节处理不足，须依靠最佳时机补充切削液来解决。日常加工中，要及时、定期对钻头进行评估和维修，并把控好丝锥尺寸，减少摩擦情况出现。

总结：

本文对钛合金材料优、缺点等相关情况予以介绍，重点探讨机械加工工艺及发展展望。随钛合金在生活、工业和商业等应用范围扩大，加工技术在发展中更加成熟，其中虽还存在不完善之处，但严格遵循操作原则和要求，将误差降低保证加工质量，并争取更早优化钛合金化学活性突出等相关课题，将为扩大钛合金材料应用范围提供帮助。

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