超硬材料網

摘要：近年來，對汽車和飛機零件高強度化和輕量化的要求越來越高。因此，這些零件所使用材料中的鈦、鎳合金等也在不斷增加。這種材料一般稱為切削加工性差的“難切削材料”。加工此類材料的切削刀具也必須能夠適應難切削材料特有的加工條件和加工方法。飛機機身部件以及噴氣發動機的壓縮機零部件越來越多地采用了鈦合金。在波音公司最新型的B787-8噴氣客機中，每架飛機的鈦合金使用量已增加到10噸左右。

關鍵字：航空航天  鈦合金  加工工藝 材料  飛機

       近年來，對汽車和飛機零件高強度化和輕量化的要求越來越高。因此，這些零件所使用材料中的鈦、鎳合金等也在不斷增加。這種材料一般稱為切削加工性差的“難切削材料”。加工此類材料的切削刀具也必須能夠適應難切削材料特有的加工條件和加工方法。飛機機身部件以及噴氣發動機的壓縮機零部件越來越多地采用了鈦合金。在波音公司最新型的B787-8噴氣客機中，每架飛機的鈦合金使用量已增加到10噸左右。目前，金屬鈦生產的工業方法是可勞爾法，產品為海綿鈦。制取鈦材傳統的工藝是將海綿鈦經熔鑄成錠，再加工而成鈦材。

       鈦采用塑性加工，加土尺寸不受限制，又能夠大批量生產，但成材率低，加工過程中產生大量廢屑殘料。

       針對鈦塑性加工的上述缺點，近年來發展了鈦的粉末冶金工藝。鈦的粉末冶金流程與普通粉末冶金相同，只是燒結必須要在真空下進行。它適用乎生產大批量、小尺寸的零件，特別適用于生產復雜的零部件。這種方法幾乎無須再經過加工處理，成材率高，既可充分利用鈦廢料作原料，又可以降低生產成本，但不能生產大尺寸的鈦件。鈦合金即在工業純鈦中加入合金元素，以提高鈦的強度。鈦合金可分三種：a鈦合金，b鈦合金和a＋b鈦合金。a b鈦合金是由a和b雙相組成，這類合金組織穩定，高溫變形性能、韌性、塑性較好，能進行淬火、時效處理，使合金強化。鈦合金的性能特點主要表現在：

1) 比強度高。鈦合金密度小(4.4kg/dm3)重量輕，但其比強度卻大于超高強度鋼。

2) 熱強性高。鈦合金的熱穩定性好，在300～500℃條件下，其強度約比鋁合金高10倍。

3) 化學活性大。鈦可與空氣中的氧、氮、一氧化碳、水蒸氣等物質產生強烈的化學反應，在表面形成TiC及TiN硬化層。

       導熱性差。鈦合金導熱性差，鈦合金TC4在200℃時的熱導率l=16.8W/m·℃，導熱系數是0.036卡/厘米·秒·℃。

1.刀具材料的選擇

       刀具材料選用應滿足下列要求：

1）足夠的硬度。刀具的硬度必須要遠大于鈦合金硬度。

2）足夠的強度和韌性。由于刀具切削鈦合金時承受很大的扭矩和切削力，因此必須有足夠的強度和韌性。

3）足夠的耐磨性。由于鈦合金韌性好，加工時切削刃要鋒利，因此刀具材料必須有足夠的抗磨損能力，這樣才能減少加工硬化。這是選擇加工鈦合金刀具最重要的參數。

4）刀具材料與鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學活性高，因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴散而成合金，造成粘刀、燒刀現象。

2.精度、條件和正確的切削參數

       經過對國內常用刀具材料和國外刀具材料進行試驗表明，采用高鈷刀具效果理想，鈷的主要作用能加強二次硬化效果，提高紅硬性和熱處理后的硬度，同時具有較高的韌性、耐磨性、良好的散熱性。

銑刀的幾何參數

       鈦合金的加工特性決定刀具的幾何參數與普通刀具存在著較大區別。

       螺旋角β 選擇較小的螺旋升角，排屑槽增大，排屑輕易，散熱快，同時也減小切削加工過程中的切削抗力。

       前角γ 切削時刃口鋒利，切削輕快，避免鈦合金產生過多切削熱，從而避免產生二次硬化。

       后角α 減小刀刃的磨損速度，有利于散熱，耐用度也得到很大程度的提高。

切削參數選擇

       鈦合金機加工應選擇較低的切削速度，適當大的進給量，合理的切深和精加工量，冷卻要充分。

       切削速度Vc Vc=30～50m/min

       進給量f 粗加工時取較大進給量，精加工和半精加工取適中的進給量。

       切削深度ap ap=1/3d為宜，鈦合金親合力好，排屑困難，切削深度太大，會造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現象。

       精加工余量αc適中鈦合金表面硬化層約0.1~0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化層上，刀具輕易磨損，應該避免硬化層加工，但切削余量不宜過大。

3.鈦合金的加工方法

       （1） 將刀尖溫升控制到最小程度

①切削速度不宜過高（40～60m/min）

切削速度過高會產生大量切削熱，導致刀具壽命降低，因此應避免采用過高的切削速度。

②縮短刀具與工件的接觸時間

       刀具與工件接觸時間越長，產生的熱量就越多，會導致刀具壽命降低。而刀具直徑越大，接觸時間就越長，因此在允許的范圍內，應盡可能使用小直徑刀具。

③不宜加大切削寬度

       切削寬度越大，接觸時間越長，會增加發熱量。因此，加工時不宜加大切削寬度，而通過增加切削長度來提高加工效率。使用長刃刀具等對于粗加工很有效。切削寬度小的臺肩銑削能減少切削熱，使提高切削速度成為可能。

④使用45°主偏角刀具

       只要工件形狀允許，應盡可能使用45°主偏角的刀具，以減薄切屑，延長刀具壽命。

⑤充分使用切削液，提高冷卻效果

       充分使用切削液，尤其是15MPa以上的超高壓切削液，以降低刀尖溫度、改善切屑處理效果、防止產生積屑瘤。從而能夠提高切削速度和生產率。

（2）提高刀具剛性

       通過縮短刀具懸伸長度、增大刀具直徑，可提高刀具剛性、減小刀具撓曲度。在因工件形狀必須采用較大懸伸量的場合，應用插銑加工也很有效。

（3）鋸齒切削刃刀具的使用

       由于鋸齒切削刃可減小接觸寬度，從而可減少熱量的產生。此外，切削液可從鋸齒之間到達被切削面，因此鋸齒切削刃刀具對鈦合金的加工十分有效。

       鈦的各種屬性使之成為具有強大吸引力的零件材料，但其中許多屬性同時也影響著它的可加工性。鈦具備優良的強度-重量比，其密度通常僅為鋼的60%。鈦的彈性系數比鋼低，因此質地更堅硬，撓曲度更好。鈦的耐侵蝕性也優于不銹鋼，而且導熱性低。這些屬性意味著鈦金屬在加工過程中會產生較高和較集中的切削力。它容易產生振動而導致切削時出現震顫；并且，它在切削時還容易與切削刀具材料發生反應，從而加劇月牙洼磨損。此外，它的導熱性差，由于熱主要集中在切削區，因此加工鈦金屬的刀具必須具備高熱硬度。

4.穩定性是成功的關鍵所在

       某些機加工車間發現鈦金屬難以有效加工，但這種觀點并不代表現代加工方法和刀具的發展趨勢。之所以困難，部分是因為鈦金屬加工是新興工藝，缺少可借鑒的經驗。此外，困難通常與期望值及操作者的經驗相關，特別是有些人已經習慣了鑄鐵或低合金鋼等材料的加工方式，這些材料的加工要求一般很低。相比之下，加工鈦金屬似乎更困難些，因為加工時不能采用同樣的刀具和相同的速率，并且刀具的壽命也不同。即便與某些不銹鋼相比，鈦金屬加工的難度也仍然要高。我們固然可以說，加工鈦金屬必須采取不同的切削速度和進給量以及一定的預防措施。其實與大多數材料相比，鈦金屬也是一種完全可直接加工的材料。只要鈦工件穩定，裝夾牢固，機床的選擇正確，動力合適，工況良好，并且配備具有較短刀具懸伸的ISO50主軸，則所有問題都會迎刃而解——只要切削刀具正確的話。

5.必須考慮振動和熱

       非理想環境還包含其它因素，其中之一就是，大多數機床目前裝配的是IS040主軸。如果高強度地使用機床，就無法長時間保持新刀狀態。此外，如果零件結構較復雜的話，通常就不易有效夾緊。當然挑戰還不止于此，切削工序有時必須用于全槽銑、側削或輪廓銑削，所有這些都有可能(但并非必定)產生振動及形成較差的切削條件。重要的是，在設定機床時，必須始終注意提高穩定性以避免振動趨勢。振動會造成刀刃崩碎、刀片損壞并產生不可預見和不一致的結果。一種改進措施便是采用多級夾緊，使零件更靠近主軸以有助于抵消振動。

       鈦合金的優點：①重量輕；②比強度高；③耐金屬疲勞；④化學性能穩定。

       鈦合金的缺點：①切削加工性差；②溫度超過400℃則強度降低（因此用于發動機的低溫部分）。

       鈦和鈦合金塑性加工具有變形抗力大；常溫塑性差、屈服極限和強度極限比值高、回彈大、對缺口敏感、變形過程易與模具粘結、加熱時又易吸咐有害氣等特點，塑性加工較鋼、銅困難。

       故鈦和鈦合金的加工工藝必須考慮它們的這些特點。

 參考文獻：

[1]  趙偉 鈦合金告訴插銑動力學研究及優化設計 2007

[2]  李佳音 超聲波擴散焊接工藝研究 2009

[3]  李士民 錸與鈦合金的電子束焊接術梯度研究 2005

[4]  韓濤 TA15鈦合金結構件激光快速成型應用研究技術 2006

[5]  楊勇 鈦合金整體航空結構件銷銑加工變形的預測理論與研究方法 2008

[6]  吳文學 等溫精密模鍛鈦合金結構件的技術要素 2007