鈦合金的切削加工(上)

  1．鈦合金可分為哪幾類?

    鈦是同素異構體，熔點為1720℃，在低于882℃時呈密排六方晶格結構，稱為α鈦；在882℃以上呈體心立方品格結構，稱為β鈦。利用鈦的上述兩種結構的不同特點，添加適當的合金元素，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：

    (1) α鈦合金：它是α相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實際應用溫度下，均是α相，組織穩定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強。在500℃～600℃的溫度下，仍保持其強度和抗蠕變性能，但不能進行熱處理強化，室溫強度不高。

    (2) β鈦合金：它是β相固溶體組成的單相合金，未熱處理即具有較高的強度，淬火、時效后合金得到進一步強化，室溫強度可達1372～1666 MPa；但熱穩定性較差，不宜在高溫下使用。

    (3) α+β鈦合金：它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進行熱壓力加工，能進行淬火、時效使合金強化。熱處理后的強度約比退火狀態提高50％～100％；高溫強度高，可在400℃～500℃的溫度下長期工作，其熱穩定性次于α鈦合金。

    三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金；α鈦合金的切削加工性最好，α+p鈦合金次之，β鈦合金最差。α鈦合金代號為TA，β鈦合金代號為TB，α+β鈦合金代號為TC。

    2．鈦合金有哪些性能和用途？

    鈦是一種新型金屬，鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質含量有關，最純的碘化鈦雜質含量不超過0.1％，但其強度低、塑性高。99.5％工業純鈦的性能為：密度ρ=4.5g/cm³，熔點為1800℃，導熱系數λ=15.24W/(m.K)，抗拉強度σ_b=539MPa，伸長率δ=25％，斷面收縮率ψ=25％，彈性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。

    (1)比強度高：鈦合金的密度一般在4.5g/cm³左右，僅為鋼的60％，純鈦的強度接近普通鋼的強度，一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其他金屬結構材料，見表7-1，可制出單位強度高、剛性好、質輕的零、部件。目前飛機的發動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

    (2)熱強度高：對于α鈦合金，在350℃時TA6的鞏達422MPa、TA7的σ_b達491MPa，在500℃時TA8的σ_b達687MPa；對于α+β鈦合金，在400℃時TC4的σ_b達618MPa、TC10的σ_b達834 MPa，在450℃時TC6和TC7的σ_b均達589MPa、TC8的σ_b達706MPa，在500℃時TC9的σ_b達785MPa。這兩類鈦合金在150℃～500℃范圍內仍有很高的比強度，而鋁合金在150℃時比強度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達500℃，鋁合金則在200℃以下。

    (3)抗蝕性好：鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作，其抗蝕性遠優于不銹鋼；對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強；對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。

    (4)低溫性能好：鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學性能。在-100℃和-196℃時TA4的σ_b分別為893MPa和1207MPa，在-196℃和-253℃時TA7的σ_b分別為1216MPa和1543MPa、TC1的σ_b分別為1133MPa和1354MPa、TC4的σ_b分別為1511MPa和1785MPa。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結構材料。

    (5)化學活性大：鈦的化學活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO₂、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應。含碳量大于0.2％時，會在鈦合金中形成硬質TiC；溫度較高時，與N作用也會形成TiN硬質表層；在600℃以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會形成脆化層。吸收氣體而產生的硬脆表層深度可達0.1～0.15 mm，硬化程度為20％～30％。鈦的化學親和性也大，易與摩擦表面產生粘附現象。

    (6)導熱系數小、彈性模量小：鈦的導熱系數λ=15.24W／(m.K)，約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降50％。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細長桿和薄壁件，切削時加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結磨損。

    鈦合金的牌號、性能見表7-2。

   3．鈦合金有哪些切削特點？

    鈦合金的硬度大于HB350時切削加工特別困難，小于HB300時則容易出現粘刀現象，也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個方面，關鍵在于鈦合金本身化學、物理、力學性能間的綜合對其切削加工性的影響。鈦合金有如下切削特點：

    (1)變形系數小：這是鈦合金切削加工的顯著特點，變形系數小于或接近于1。切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大，加速刀具磨損。

    (2)切削溫度高：由于鈦合金的導熱系數很小(只相當于45號鋼的1/5～1/7)，切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產生的熱不易傳出，集中在切削區和切削刃附近的較小范圍內，切削溫度很高。在相同的切削條件下，切削溫度可比切削45號鋼時高出一倍以上。

    (3)單位面積上的切削力大：主切削力比切鋼時約小20％，由于切屑與前刀面的接觸長度極短，單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同時，由于鈦合金的彈性模量小，加工時在徑向力作用下容易產生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損并影響零件的精度。因此，要求工藝系統應具有較好的剛性。

(4)冷硬現象嚴重：由于鈦的化學活性大，在高的切削溫度下，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。冷硬現象不僅會降低零件的疲勞強度，而且能加劇刀具磨損，是切削鈦合金時的一個很重要特點。

    (5)刀具易磨損：毛坯經過沖壓、鍛造、熱軋等方法加工后，形成硬而脆的不均勻外皮，極易造成崩刃現象，使得切除硬皮成為鈦合金加工中最困難的工序。另外，由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具很容易產生粘結磨損。車削鈦合金時，有時前刀面的磨損甚至比后刀面更為嚴重；進給量f<0.1 mm/r時，磨損主要發生在后刀面上；當f>0.2 mm/r時，前刀面將出現磨損；用硬質合金刀具精車和半精車時，后刀面的磨損以VB_max<0.4 mm較合適。

4．切削鈦合金時怎樣選擇刀具材料？

    切削加工鈦合金應從降低切削溫度和減少粘結兩方面出發，選用紅硬性好、抗彎強度高、導熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料，YG類硬質合金比較合適。由于高速鋼的耐熱性差，因此應盡量采用硬質合金制作的刀具。常用的硬質合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。

    涂層刀片和YT類硬質合金會與鈦合金產生劇烈的親和作用，加劇刀具的粘結磨損，不宜用來切削鈦合金；對于復雜、多刃刀具，可選用高釩高速鋼(如W12Cr4V4Mo)、高鈷高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8)或鋁高速鋼(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料，適于制作切削鈦合金的鉆頭、鉸刀、立銑刀、拉刀、絲錐等刀具。

采用金剛石和立方氮化硼作刀具切削鈦合金，可取得顯著效果。如用天然金剛石刀具在乳化液冷卻的條件下，切削速度可達200 m/min；若不用切削液，在同等磨損量時，允許的切削速度僅為100m/min。

    5．切削鈦合金時怎樣選擇刀具幾何參數？

    (1)前角γ₀：鈦合金切屑與前刀面的接觸長度短，前角較小時既可增加刀屑的接觸面積，使切削熱和切削力不至于過分集中在切削刃附近，改善散熱條件，又能加強切削刃，減小崩損的可能性。一般取γ₀=5°～15°。

    (2)后角α₀：鈦合金已加工表面彈性恢復大、冷硬現象嚴重，采用大后角可減小對后刀面造成的摩擦、粘附、粘結、撕裂等現象，以減小后刀面的磨損。各種切削鈦合金刀具的后角基本上都大于等于15°。

    (3)主偏角κ_r和副偏角κ′_r：切削鈦合金時切削溫度高、彈性變形傾向大，在工藝系統剛性允許的條件下，應盡量減小主偏角，以增加切削部分的散熱面積和減小切削刃單位長度上的負荷，一般采用κ_r=30°，粗加工時取κ_r=45°。減小副偏角可以加強刀尖，有利于散熱和降低加工表面粗糙度值，一般取κ′_r =10°～15°。

    (4)刃傾角λ_s：由于毛坯有硬皮和表層組織不均勻，粗車時切削刃容易崩損，為了增加切削刃的強度和鋒利程度，應加大切屑的滑動速度，一般取λ_s =-3°～-5°，精車時λ_s =O°。

    (5)刀尖圓弧半徑r_ε：切削鈦合金時刀尖是最薄弱的部分，容易崩掉和磨損，需磨出刀尖圓弧，一般r_ε=0.5～1.5mm。

    車削時采用負倒棱(b_γ=0.03～0.05 mm，γ₀₁=-10°～0°)，斷(卷)屑槽的槽底圓弧半徑R_n=6～8 mm。

    另外，刀具刃磨質量對提高其耐用度也十分重要。硬質合金刀具宜用金剛石砂輪刃磨，切削時刃口必須鋒利，前后刀面的表面粗糙度Ra值應小于0.4um，刃口部分不允許有微小的缺口。刀具刃磨后進行研磨，其耐用度可提高30％。

    6．切削鈦合金時怎樣選擇切削用量？

    切削鈦合金時，切削溫度高、刀具耐用度低，切削用量中切削速度對切削溫度的影響最大，因此應力求使所選擇的切削速度下產生的切削溫度接近最佳范圍。高速鋼刀具切削鈦合金時的最佳切削溫度約為480℃～540℃，硬質合金刀具約為650℃～750℃。切削鈦合金一般采用較低的切削速度、較大的切削深度和進給量。

    (1)切削速度Vc：切削速度對刀具耐用度影響最大，最好能使刀具在相對磨損最小的最佳切削速度下工作。切削不同牌號的鈦合金，由于強度差別較大，切削速度應適當調整。切削深度對切削速度也有一定影響，應根據不同的切削深度來確定切削速度的大小，核正系數見表7-3和表7-4。

    (2)進給量f：進給量對刀具的耐用度影響較小，在保證加工表面粗糙度的條件下，可選較大的進給量，一般取f=0.1～0.3 mm/r。進給量太小，使刀具在硬化層內切削，增加刀具磨損，同時極薄的切屑在高的切削溫度下容易自燃，因此不允許f<0.05 mm/r。

    (3)切削深度α_p：切削深度對刀具耐用度的影響最小，一般選用較大的切削深度，這樣不僅可以避免刀尖在硬化層內切削，減小刀具磨損，還可增加刀刃工作長度，有利于散熱，一般取α_p=1～5 mm。

車削鈦合金的切削用量見表7-5。

     7．切削鈦合金時怎樣選擇切削液？

     切削鈦合金時，為了降低切削溫度，應當向切削區域澆注大量的以冷卻作用為主的切削液。對切削液的要求有導熱系數大、比熱大、熱容量大、汽化熱大、汽化速度快、流量大、流速快。一般說來，水比油的導熱系數大3～5倍，比熱大1倍，汽化熱幾乎大10倍左右，故用水溶性切削液較為合適。車、銑削鈦合金時，常采用乳化液，或采用有極壓添加劑的水溶性切削液。

     極壓乳化劑的配方為：

    石油磺酸鈉  10％      油酸      3％

    石油磺酸鉛  6％       三乙醇胺  3.5 ％

    氯化石蠟    4％       20號機油  70.5％

    氯化硬脂酸  3％

    極壓添加劑的水溶性切削液的配方為：

    氯化脂肪酸、聚氯乙烯    0.5％～0.8％

    磷酸三鈉    0.59％      三乙醇胺    1％～2％

    亞硝酸鈉    1.2％       水          其余

    對于鉆孔、擴孔、鉸孔、拉削、攻絲等工序，應該采用潤滑作用較大的極壓可溶性油作切削液，如蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油等。

    冷卻潤滑的方法最好采用高壓噴霧冷卻法、高壓內冷卻法等，這樣才可起到良好的冷卻、潤滑作用。切削液流量不少于15～20 L／min。

    8．切削鈦合金時應注意哪些問題?

    在切削鈦合金的過程中，應注意的事項有：

    (1)由于鈦合金的彈性模量小，工件在加工中的夾緊變形和受力變形大，會降低工件的加工精度；工件安裝時夾緊力不宜過大，必要時可增加輔助支承。

    (2)如果使用含氯的切削液，切削過程中在高溫下將分解釋放出氫氣，被鈦吸收引起氫脆；也可能引起鈦合金高溫應力腐蝕開裂。

    (3)切削液中的氯化物使用時還可能分解或揮發有毒氣體，使用時宜采取安全防護措施，否則不應使用；切削后應及時用不含氯的清洗劑徹底清洗零件，清除含氯殘留物。

    (4)禁止使用鉛或鋅基合金制作的工、夾具與鈦合金接觸，銅、錫、鎘及其合金也同樣禁止使用。

    (5)與鈦合金接觸的所有工、夾具或其他裝置都必須潔凈；經清洗過的鈦合金零件，要防止油脂或指印污染，否則以后可能造成鹽(氯化鈉)的應力腐蝕。

    (6)一般情況下切削加工鈦合金時，沒有發火危險，只有在微量切削時，切下的細小切屑才有發火燃燒現象。為了避免火災，除大量澆注切削液之外，還應防止切屑在機床上堆積，刀具用鈍后立即進行更換，或降低切削速度，加大進給量以加大切屑厚度。若一旦著火，應采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等滅火器材進行撲滅，嚴禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器，也不能澆水，因為水能加速燃燒，甚至導致氫爆炸。

    9．怎樣對鈦合金進行銑削？

    鈦合金在惰性氣體介質中低速銑削時，切屑變形系數大于1.0；但在大氣中，銑削速度Vc=30 m/min時，切屑變形系數小于1.0，這是因為鈦合金在高溫銑削時，對大氣中氧和氮的親和性很大，在800℃高溫條件下，鈦合金的切屑便激烈地從周圍大氣中吸收這些氣體，產生相變并使縮短的銑屑重新伸長。鈦合金銑削時溫度很高，沖擊力大，應選用能很好地承受交變載荷和熱沖擊的銑刀刀齒材料。通常選用YG 類硬質合金，也可用鈷、鋁超硬高速鋼。

    鈦合金銑刀的幾何參數和銑削用量見表7-6和表7-7。

    銑削鈦合金時，宜采用不對稱順銑法，這樣刀齒前面遠離刀尖部分首先接觸工件，刀齒切離時的切屑很薄，不易粘結在切削刃上。而逆銑時正相反，容易粘屑，當刀齒再次切入時切屑被碰斷，造成刀具材料剝落崩刃。

    端銑刀與工件軸線間的偏移量e可決定銑刀刀齒與工件首先接觸的最佳部位，順銑或逆銑及切離時切屑厚度的大小，一般以偏移量e=(0.04～0.1) d_o為宜(d_o為端銑刀直徑)。

    由于鈦合金的彈性模量小，順銑造成讓刀現象，要求機床和刀具有較大的剛性。銑削時刀具與切屑的接觸長度短，不易卷屑，要求刀具具有較好的刀齒強度及較大的容屑空間，否則切屑堵塞會造成刀具劇烈磨損。

    10．怎樣對鈦合金進行鉆孔？

    鉆孔為半封閉式切削，對鈦合金鉆孔過程中切削溫度很高，鉆孔后回彈大，鉆屑長而薄，易粘結而不易排出，經常造成鉆頭被咬住、扭斷等惡性事故。因此要求鉆頭具有高的強度和好的剛性，鉆頭與鈦合金的化學親和性要小，最好采用硬質合金鉆頭，但目前最常用的仍是麻花鉆，經過采取一些措施改進后，也能取得較好的效果。

    (1)改進鉆頭：為滿足對鈦合金鉆孔的需要，應對麻花鉆采取以下改進措施：

    加大鉆頭頂角，2Ф=135°～140°；增大鉆頭外緣處后角，取12°～15°；增大螺旋角，p=35°～40°；增大鉆心厚度，取(0.22～0.4)d_o(d_o為鉆頭直徑)。

    采用“S”形或“X”形修磨鉆頭橫刃，橫刃長度b=(0.08～0.1)d_o，同時保證橫刃的對稱度≤0.06 mm。兩種形式的橫刃均可形成第二切削刃，起到分屑作用和減小鉆孔時的軸向力。

最常用的是在麻花鉆上磨出適于對鈦合金鉆孔的切削刃形，即鈦合金群鉆，其切削部分的形狀見圖7-1。圖中外內刃頂角2φ和2φ^′在鉆頭直徑d_o>3～10mm時均為130°～140°，d_o>10～30 mm時為125°～140°；外刃后角α在d_o>3～10 mm時為12°～18°，d_o>10～30 mm時為10°～15°；橫刃斜角ψ=45°；內刃前角γ_τ=-10°～-15°；內刃斜角τ=10°～15°；圓弧刃后角a_R=18°～20°。

    鈦合金群鉆的有關參數和鉆削用量見表7-8和表7-9。

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