当钛合金的切削加工上

钛合金的切削加工（上）

钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为 钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为 钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的英国是石墨烯的'诞生地'合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：

(1) 钛合金：它是 相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是 相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。

(2) 钛合金：它是 相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

(3) + 钛合金：它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于 钛合金。

三种钛合金中最常用的是 钛合金和 + 钛合金； 钛合金的切削加工性最好， +p钛合金次之， 钛合金最差。 钛合金代号为TA， 钛合金代号为TB， + 钛合金代号为TC。

2．钛合金有哪些性能和用途？

钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度 =4.5g/cm3，熔点为1800℃，导热系数 =15.24W/(m.K)，抗拉强度 b=539MPa，伸长率 =25％，断面收缩率 =25％，弹性模量E=1.078 105MPa，硬度HB195。

(1)比强度高：钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，见表，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

(2)热强度高：对于 钛合金，在350℃时TA6的巩达422MPa、TA7的 b达491MPa，在500℃时TA8的 b达687MPa；对于 + 钛合金，在400℃时TC4的 b达618MPa、TC10的 b达834 MPa，在450℃时TC6和TC7的 b均达589MPa、TC8的 b达706MPa，在500℃时TC9的 b达785MPa。这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。

(3)抗蚀性好：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。

(4)低温性能好：钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。在-100℃和-196℃时TA4的 b分别为893MPa和1207MPa，在-196℃和-253℃时TA7的 b分别为1216MPa和1543MPa、TC1的 b分别为1133MPa和1354MPa、TC4的 b分别为1511MPa和1785MPa。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。

(5)化学活性大：钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成降幅达3成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15 mm，硬化程度为20％～30％。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。

(6)导热系数小、弹性模量小：钛的导热系数 =15.24W／(m.K)，约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。

钛合金的牌号、性能见表。

3．钛合金有哪些切削特点？

钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特点：

(1)变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点，变形系数小于或接近于1。切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速刀具磨损。

(2)切削温度高：由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/5～1/7)，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。

(3)单位面积上的切削力大：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。

(4)冷硬现象严重：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。

(5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损。车削钛合金时，有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重；进给量f 0.1 mm/r时，磨损主要发生在后刀面上；当f 0.2 mm/r时，前刀面将出现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时，后刀面的磨损以VBmax 0.4 mm较合适。

4．切削钛合金时怎样选择刀具材料？

切削加工钛合金应从降低切削温度和减少粘结两方面出发，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，YG类硬质合金比较合适。由于高速钢的耐热性差，因此应尽量采用硬质合金制作的刀具。常用的硬质合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。

涂层刀片和YT类硬质合金会与钛合金产生剧烈的亲和作用，加剧刀具的粘结磨损，不宜用来切削钛合金；对于复杂、多刃刀具，可选用高钒高速钢(如W12Cr4V4Mo)、高钴高速钢(如W2Mo9Cr4VCo8)或铝高速钢(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料，适于制作切削钛合金的钻头、铰刀、立铣刀、拉刀、丝锥等刀具。

采用金刚石和立方氮化硼作刀具切削钛合金，可取得显著效果。如用天然金刚石刀具在乳化液冷却的条件下，切削速度可达200 m/min；若不用切削液，在同等磨损量时，允许的切削速度仅为100m/min。

5．切削钛合金时怎样选择刀具几何参数？

(1)前角 0：钛合金切屑与前刀面的接触长度短，前角较小时既可增加刀屑的接触面积，使切削热和切削力不至于过分集中在切削刃附近，改善散热条件，又能加强切削刃，减小崩损的可能性。一般取 0=5 ～15 。

(2)后角 0：钛合金已加工表面弹性恢复大、冷硬现象严重，采用大后角可减小对后刀面造成的摩擦、粘附、粘结、撕裂等现象，以减小后刀面的磨损。各种切削钛合金刀具的后角基本上都大于等于15 。

(3)主偏角 r和副偏角 r：切削钛合金时切削温度高、弹性变形倾向大，在工艺系统刚性允许的条件下，应尽量减小主偏角，以增加切削部分的散热面积和减小切削刃单位长度上的负荷，一般采用 r=30 ，粗加工时取 r=45 。减小副偏角可以加强刀尖，有利于散热和降低加工表面粗糙度值，一般取 r =10 ～15 。

(4)刃倾角 s：由于毛坯有硬皮和表层组织不均匀，粗车时切削刃容易崩损，为了增加切削刃的强度和锋利程度，应加大切屑的滑动速度，一般取 s =-3 ～-5 ，精车时 s =O 。

(5)刀尖圆弧半径r：切削钛合金时刀尖是最薄弱的部分，容易崩掉和磨损，需磨出刀尖圆弧，一般r=0.5～1.5mm。

车削时采用负倒棱(b =0.03～0.05 mm， 01=-10 ～0 )，断(卷)屑槽的槽底圆弧半径Rn=6～8 mm。

另外，刀具刃磨质量对提高其耐用度也十分重要。硬质合金刀具宜用金刚石砂轮刃磨，切削时刃口必须锋利，前后刀面的表面粗糙度Ra值应小于0.4um，刃口部分不允许有微小的缺口。刀具刃磨后进行研磨，其耐用度可提高30％。

6．切削钛合金时怎样选择切削用量？

切削钛合金时，切削温度高、刀具耐用度低，切削用量中切削速度对切削温度的影响最大，因此应力求使所选择的切削速度下产生的切削温度接近最佳范围。高速钢刀具切削钛合金时的最佳切削温度约为480℃～540℃，硬质合金刀具约为650℃～750℃。切削钛合金一般采用较低的切削速度、较大的切削深度和进给量。

(1)切削速度Vc：切削速度对刀具耐用度影响最大，最好能使刀具在相对磨损最小的最佳切削速度下工作。切削不同牌号的钛合金，由于强度差别较大，切削速度应适当调整。切削深度对切削速度也有一定影响，应根据不同的切削深度来确定切削速度的大小，核正系数见表和表。

(2)进给量f：进给量对刀具的耐用度影响较小，在保证加工表面粗糙度的条件下，可选较大的进给量，一般取f=0.1～0.3 mm/r。进给量太小，使刀具在硬化层内切削，增加刀具磨损，同时极薄的切屑在高的切削温度下容易自燃，因此不允许f 0.05 mm/r。

(3)切削深度 p：切削深度对刀具耐用度的影响最小，一般选用较大的切削深度，这样不仅可以避免刀尖在硬化层内切削，减小刀具磨损，还可增加刀刃工作长度，有利于散热，一般取 p=1～5 mm。

车削钛合金的切削用量见表。

7．切削钛合金时怎样选择切削液？

切削钛合金时，为了降低切削温度，应当向切削区域浇注大量的以冷却作用为主的切削液。对切削液的要求有导热系数大、比热大、热容量大、汽化热大、汽化速度快、流量大、流速快。一般说来，水比油的导热系数大3～5倍，比热大1倍，汽化热几乎大10倍左右，故用水溶性切削液较为合适。车、铣削钛合金时，常采用乳化液，或采用有极压添加剂的水溶性切削液。

极压乳化剂的配方为：

石油磺酸钠 10％ 油酸 3％

石油磺酸铅 6％ 三乙醇胺 3.5 ％

氯化石蜡 4％ 20号机油 70.5％

氯化硬脂酸 3％

极压添加剂的水溶性切削液的配方为：

氯化脂肪酸、聚氯乙烯 0.5％～0.8％

磷酸三钠 0.59％ 三乙醇胺 1％～2％

亚硝酸钠 1.2％ 水 其余

对于钻孔、扩孔、铰孔、拉削、攻丝等工序，应该采用润滑作用较大的极压可溶性油作切削液，如蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油等。

冷却润滑的方法最好采用高压喷雾冷却法、高压内冷却法等，这样才可起到良好的冷却、润滑作用。切削液流量不少于15～20 L／min。

8．切削钛合金时应注意哪些问题?

在切削钛合金的过程中，应注意的事项有：

(1)由于钛合金的弹性模量小，工件在加工中测定试样上的应力变化的夹紧变形和受目前各大城市纷纭出现“雾霾”天气力变形大，会降低工件的加工精度；工件安装时夹紧力不宜过大，必要时可增加辅助支承。

(2)如果使用含氯的切削液，切削过程中在高温下将分解释放出氢气，被钛吸收引起氢脆；也可能引起钛合金高温应力腐蚀开裂。

(3)切削液中的氯化物使用时还可能分解或挥发有毒气体，使用时宜采取安全防护措施，否则不应使用；切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清洗零件，清除含氯残留物。

(4)禁止使用铅或锌基合金制作的工、夹具与钛合金接触，铜、锡、镉及其合金也同样禁止使用。

(5)与钛合金接触的所有工、夹具或其他装置都必须洁净；经清洗过的钛合金零件，要防止油脂或指印污染，否则以后可能造成盐(氯化钠)的应力腐蚀。

(6)一般情况下切削加工钛合金时，没有发火危险，只有在微量切削时，切下的细小切屑才有发火燃烧现象。为了避免火灾，除大量浇注切削液之外，还应防止切屑在机床上堆积，刀具用钝后立即进行更换，或降低切削速度，加大进给量以加大切屑厚度。若一旦着火，应采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等灭火器材进行扑灭，严禁使用四氯化碳、二氧化碳灭火器，也不能浇水，因为水能加速燃烧，甚至导致氢爆炸。

9．怎样对钛合金进行铣削？

钛合金在惰性气体介质中低速铣削时，切屑变形系数大于1.0；但在大气中，铣削速度Vc=30 m/min时，切屑变形系数小于1.0，这是因为钛合金在高温铣削时，对大气中氧和氮的亲和性很大，在800℃高温条件下，钛合金的切屑便激烈地从周围大气中吸收这些气体，产生相变并使缩短的铣屑重新伸长。钛合金铣削时温度很高，冲击力大，应选用能很好地承受交变载荷和热冲击的铣刀刀齿材料。通常选用YG类硬质合金，也可用钴、铝超硬高速钢。

钛合金铣刀的几何参数和铣削用量见表和表。

铣削钛合金时，宜采用不对称顺铣法，这样刀齿前面远离刀尖部分首先接触工件，刀齿切离时的切屑很薄，不易粘结在切削刃上。而逆铣时正相反，容易粘屑，当刀齿再次切入时切屑被碰断，造成刀具材料剥落崩刃。

端铣刀与工件轴线间的偏移量e可决定铣刀刀齿与工件首先接触的最佳部位，顺铣或逆铣及切离时切屑厚度的大小，一般以偏移量e=(0.04～0.1) do为宜(do为端铣刀直径)。

由于钛合金的弹性模量小，顺铣造成让刀现象，要求机床和刀具有较大的刚性。铣削时刀具与切屑的接触长度短，不易卷屑，要求刀具具有较好的刀齿强度及较大的容屑空间，否则切屑堵塞会造成刀具剧烈磨损。

10．怎样对钛合金进行钻孔？

钻孔为半封闭式切削，对钛合金钻孔过程中切削温度很高，钻孔后回弹大，钻屑长而薄，易粘结而不易排出，经常造成钻头被咬住、扭断等恶性事故。因此要求钻头具有高的强度和好的刚性，钻头与钛合金的化学亲和性要小，最好采用硬质合金钻头，但目前最常用的仍是麻花钻，经过采取一些措施改进后，也能取得较好的效果。

(1)改进钻头：为满足对钛合金钻孔的需要，应对麻花钻采取以下改进措施：

加大钻头顶角，2Ф=135 ～140 ；增大钻头外缘处后角，取12 ～15 ；增大螺旋角，p=35 ～40 ；增大钻心厚度，取(0.22～0.4)do(do为钻头直径)。

采用 S 形或 X 形修磨钻头横刃，横刃长度b=(0.08～0.1)do，同时保证横刃的对称度 0.06 mm。两种形式的横刃均可形成第二切削刃，起到分屑作用和减小钻孔时的轴向力。

最常用的是在麻花钻上磨出适于对钛合金钻孔的切削刃形，即钛合金群钻，其切削部分的形状见图。图中外内刃顶角2 和2 在钻头直径do 3～10mm时均为130 ～140 ，do 10～30 mm时为125 ～140 ；外刃后角 在do 3～10 mm时为12 ～18 ，do 10～30 mm时为10 ～15 ；横刃斜角 =45 ；内刃前角 =-10 ～-15 ；内刃斜角 =10 ～15 ；圆弧刃后角aR=18 ～20 。

钛合金群钻的有关参数和钻削用量见表和表。