钛合金零件加工工艺研究

钛合金零件加工工艺研究

彭湘杨芳

江南工业集团有限公司湖南省湘潭市411207

摘要：本文对钛合金材料的优点以及加工特性进行了介绍和分析，并对钛合金零件的加工工艺以及加工注意事项进行了讨论和研究，希望能够为相关产业中钛合金零件的加工、应用和发展起到一些参考作用。

关键词：钛合金；零件；加工

引言

Ti元素在不同的温度下会呈现出不同的排列结构，当温度＜882℃时为密排六方晶格结构，≥882℃时为体心立方晶格结构，两种不同结构的Ti分别称为αTi以及βTi。通过添加适当的合金元素后便可以得到α合金、β合金以及α+β合金三种合金物质，我国一般表示为TA、TB、TC。其中TA、TC是最为常用的两种钛合金，根据其实际用途不同以及添加的合计元素不同，可以分为高强合金、耐蚀合金、耐热合金、低温合金以及特殊功能合金等。早期钛合金主要应用于航空发动机的制造，随后相关技术的不断发展，钛合金在医疗、民用等方面表现出了良好的发展前景。

1.钛合金材料的主要优点

钛合金材料有着十分广阔的应用前景，这取决于其所具有的一些特性和优点，主要包括以下几个方面：

（1）密度低。钛合金的密度一般为4.4kg/dm3左右，仅有钢的60%，重量较强轻。高强度钛合金在抗弯强度上要高于超硬铝合金、耐热铝合金，高强度镁合金以及高强度结构钢，仅次于超高强度结构钢，比强度（强度/密度）则要高于上述所有金属，应用于零件、结构件制造上可以有效的减轻构件质量，并保持较高的强度和刚性。

（2）热强度高。钛合金即使在450~500℃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200℃），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-253℃仍然可以保持其力学性能。

（3）抗蚀性强。钛合金对于点蚀、酸蚀、应力腐蚀以及氯化物、含氯有机物质、硝酸、氯酸、碱等有着较高的抗蚀性，能够在海水、潮湿等环境中进行应用。

2.钛合金加工特性分析

在钛合金零件的加工工艺中，由于受到材料本身性质特点的影响，其表现出的加工特性主要包括以下几个方面：

（1）导热系数低。以TC4为例，其导热率l=7.955W/（m·℃），为铁的1/5,铝的1/10。较低的导热系数导致材料在切削过程中产生的热量会在切削区、切削刃附近集聚，无法有效的散出，进而造成了切削温度上升，刀具寿命大大缩短。

（2）弹性模量低。在钛合金的加工过程中已加工面会在径向力的作用下出现表面回弹较大或弯曲变形、引发振动的情况，从而导致刀具后面与材料表面的接触面积增加，造成刀具磨损严重，零件精度也无法得到保障。

（3）硬度因素。加工的钛合金材料如果硬度值较高（＞HB350），会使刀具出现磨损、崩刃的可能性大大增加；而如果硬度值较低（＜HB300）则可能会出现切屑附着于切削刃形成积屑瘤。两种情况都会造成钛合金的加工效果不良，加工时间延长。

（4）化学亲和性强。Ti元素能够与空气中的C、N、CO、CO2等物质反应形成TiC、TiN的硬质表层；加工引起的高温也会导致其与O发生反应形成0.1~0.15mm深的硬化表层，冷硬现象严重；甚至还可能会与刀具材料发生反应，给加工造成了较大的困难。

3.钛合金零件加工工艺方法及注意事项

（1）刀具。在刀具的选择上，应以高强度、导热性好，且高温下不与Ti发生反应的材料作为加工刀具，如钨钴类硬质合金等。在刀具几何参数的设置上，可以通过将其前角适当减小，增加前刀面与切屑的接触面积的方法来改善散热，从而有效降低切削时的问题，预防刀具与切屑粘结的问题出现；可以通过将刀具后角适当增大来减少其与已加工表面之间的摩擦，从而提高加工精度；刀尖采取圆弧过渡来提高刀具强度。加工刀具要定期进行修磨，从而确保刀刃锋利、排屑顺畅。

（2）机床。加工机床的选择应保证其具有良好的稳定性，在加工过程中不会出现明显振动，从而减少刀具崩刃、损坏的问题发生。同时机床的加工系统还需要能够满足切削的深度需要，并具有拼装夹具等辅助设施来进行固定、支撑。

（3）加工参数。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。

（4）加工方法。铣削一般以顺铣为主，其相较于逆铣能够有效的提高刀具寿命，减少粘屑、崩刃、损坏等问题的产生。磨削时一般使用硬度较高、导热性好、磨粒锋利的绿碳化硅砂轮，根据材料表面光洁度选择不同的砂轮粒度，避免粘屑、砂轮堵塞、零件烧伤等现象。磨削时应保持较低的速度和较小的进给量，并保证乳化液充足。钻孔前需要对标准钻头进行预先修磨：减少切削前角，增加切削后角以及顶角，圆柱刃倒锥度数翻倍。钻孔时应保证钻头不再孔内停留，增加退刀次数并及时清屑，保证乳化液充足。铰孔前需要对标准铰刀进行预先改制，保证切削部位与校准部位无尖点，以圆弧过渡为宜，刀刃带宽＜0.15mm。铰孔可使用组铰刀进行多次铰削，每次增加直径＜0.1mm，主轴保持较慢转速，退刀时不得停车。攻螺纹加工应根据丝锥直径大小适当减少齿数来增加容屑空间，在校准齿上留出0.15mm宽度的刃带，将后角增大至30°左右，去除1/2~1/3齿背，校准齿保留3扣后增大倒锥度数。可使用跳牙丝锥来提高加工效果。

（5）注意事项。钛合金加工首先要保持刀具锋利，定期进行修磨，减少切削热的产生。第二，要及时清除切屑，保持刀具、夹具等设施的清洁。第三，切屑应使用不燃或难燃的工具进行收集，并置于不可燃容器中进行统一处理。第四，做好切削加工区域的防火工作。第五，一旦发生切屑起火要技术使用土砂掩盖灭火或干粉灭火器灭火。

结语

钛合金高强度、高抗蚀性、低密度的特点使其有着非常好的发展前景。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]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):66-69.

[2]冯国,郑鑫.钛合金材料的数控铣削加工技术研究[J].制造业自动化,2013(22):49-52.

[3]吴馨.钛合金的切削加工工艺研究[J].中国科技纵横,2012(21):99-100.