淺析鈦合金孔加工技術(shù)

沈響

摘 要：鈦合金材料具有密度小，硬度和比強(qiáng)度高，抗腐性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。但其加工性能較差，在很大程度上制約著鈦合金零件加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，尤其在鉆孔和攻絲方面表現(xiàn)較突出。文章主要敘述鈦合金的性能特點(diǎn)，分析影響鈦合金孔鉆削加工的因素，并提出改進(jìn)鈦合金孔鉆削加工的相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞：鈦合金；孔加工；加工技術(shù)

1 鈦合金性能特點(diǎn)

鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。鈦合金元素根據(jù)它們對(duì)相變溫度的影響可分為三類：α鈦合金，β鈦合金和α+β鈦合金。由于合金組織穩(wěn)定，高溫變形性能、韌性、塑性較好，是航空業(yè)重要的原材料。鈦合金特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

1.1 強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、耐蝕性好

鈦合金的密度一般在4.5g/cm3左右，僅為鋼的60%，但鈦合金的比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料。其次，鈦合金熱穩(wěn)定性好，在中等溫度下仍能保持所要求的強(qiáng)度，在300℃～500℃條性下，仍有很高的比強(qiáng)度，約為鋁合金的3～4倍。鈦合金對(duì)應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)，且表面形成的致密的氧化膜對(duì)酸、堿、氯化物、氯的有機(jī)物品具有優(yōu)良的抗蝕能力。因此在飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等方面都有對(duì)鈦合金使用。

1.2 導(dǎo)熱性能差

鈦的導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50%，因而散熱慢，不利于熱均衡，特別是在鉆削加工過程中，散熱和冷卻效果更差，在切削區(qū)易形成高溫。

1.3 鈦及其合金化學(xué)活性高

鈦及其合金能與空氣中的0、N、H、C0、CO2、水蒸氣等產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在鈦合金表面形成TiC及TiN硬化層，使得脆性加大，塑性下降；在高溫高壓下加工，與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷，擴(kuò)散而成合金，不利于切削加工。

2 在鈦合金孔加工過程中出現(xiàn)的問題

影響鈦合金孔加工質(zhì)量的因素有很多。通過了解鈦合金性能特點(diǎn)，分析其加工特性，結(jié)合在加工中出現(xiàn)的問題，鈦合金加工的難度主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）在鉆削加工過程中，在鉆削區(qū)易形成高溫；再加上鉆頭與前刀面接觸面積小，刀尖應(yīng)力大，切屑不易排出，鉆削用量不易控制，易造成零件變形和燒刀現(xiàn)象。

（2）鈦合金彈性模量小，在鉆孔時(shí)鈦合金在鉆削力作用下產(chǎn)生較大的變形；在完成加工起鉆時(shí)，使已加工表面產(chǎn)生較大的回彈，引起加工的零件超差，加工面粗糙。

（3）由于鈦及鈦合金化學(xué)活性高，鈦合金親和力大，加之高溫高壓作用，在鉆削時(shí)易產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，切屑擠在鉆頭溝槽中不易排出，造成刀具粘接產(chǎn)生積屑瘤，甚至出現(xiàn)扭斷鉆頭等現(xiàn)象。

鑒于鈦合金孔在加工中易山現(xiàn)上述等問題，在鈦合金加工中需要改進(jìn)加工方法，通過改進(jìn)工具來提高鈦合金加工孔的質(zhì)量和加工效率。

3 提高鈦合金孔加工質(zhì)量的措施

由于鈦合金在孔加工時(shí)易出現(xiàn)高溫區(qū)、燒蝕刀具，產(chǎn)生積屑瘤，零件超差，加工面粗糙等現(xiàn)象，在孔的加工中可以從以下幾個(gè)方面來提高孔的質(zhì)量和加工效率。

3.1 選擇合適的鉆頭和工具

（1）經(jīng)不同材料的鉆頭試驗(yàn)分析，超細(xì)品粒硬質(zhì)合金鉆頭加工鈦合金時(shí)刃口鋒利、磨損小，效率有了顯著的提高，是比較理想的刃具材料，如果沒有條件可以選擇高速鋼M42，B201或硬質(zhì)合金鉆頭。

（2）在鉆頭上設(shè)計(jì)四條導(dǎo)向刃，可以增加鉆頭的截面慣性矩，提高剛性，其耐用度比標(biāo)準(zhǔn)鉆頭高3倍左右。同時(shí)由于導(dǎo)向穩(wěn)定減小了孔擴(kuò)張量，如Ф3mm的四條導(dǎo)向刃鉆頭孔擴(kuò)張量?jī)H為0.03mm，而標(biāo)準(zhǔn)鉆頭為0.06 mm。

（3）采用“S”形或“X”形修磨鉆頭橫刃，橫刃長(zhǎng)度為0.08～0.1鉆頭直徑，同時(shí)保證橫刃的對(duì)稱度小于0.05mm。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在鉆孔時(shí)的軸向力。

（4）選擇適宜的槍鉆：在鉆鈦合金長(zhǎng)徑比大于5的深孔時(shí)，當(dāng)孔徑小于等于30mm時(shí)，一般采用硬質(zhì)合金槍鉆；當(dāng)孔徑大于30mm時(shí)，采用硬質(zhì)合金鉆頭或噴吸鉆等。

3.2 選擇正確的切削液

選用適合鈦合金加工的冷卻方式，進(jìn)行有效的冷卻，可延長(zhǎng)切削刀具的壽命，提高加工效率。

（1）在鉆淺孔時(shí)可選用電解切削液，其成分為三乙醇胺，癸二酸，硼酸，亞硝酸鈉，甘油和水。

（2）在鉆深孔時(shí)，因?yàn)樗诟邷叵驴赡茉谇邢魅猩闲纬烧羝麣馀?，易產(chǎn)生積屑瘤，使鉆孔不穩(wěn)定，不宜選用水基切削液。一般采用豆油，必要時(shí)可加入鉆孔攻絲專用油和添加劑為切削液，經(jīng)高壓空氣油霧器霧化后，通孔道直接將冷卻氣霧送至切削區(qū)域，進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，且切屑易排出鉆頭，獲得更佳的冷卻潤(rùn)滑效果。

3.3 采用合理的加工方式

鈦合金的性能特點(diǎn)要求鉆削在加工時(shí)鈦合金需采用合適的方式。一般采用低轉(zhuǎn)速，適中的進(jìn)給量；在加工深孔時(shí)要勤退刀并及時(shí)清除切屑，注意切屑的形狀和顏色。如在鉆削過程中切屑出羽狀或顏色變化時(shí)，表明鉆頭已鈍，應(yīng)及時(shí)換磨刀刃。

為了提高工藝系統(tǒng)剛性，鉆模應(yīng)固定在工作臺(tái)上，鉆模引導(dǎo)宜貼近加工表面，盡量使用短鉆頭；當(dāng)采取手動(dòng)進(jìn)給時(shí)，鉆頭不得在孔中不進(jìn)不退，否則鉆刃摩擦加工表面，造成加工硬化，使鉆頭變鈍，影響孔的質(zhì)量和加工效率。

4 結(jié)束語

鈦合金材料在航空、航天領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。但其較差的加工性能，制約著鈦合金零件加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，尤其在鉆孔和攻絲方面表現(xiàn)較突出。因此在孔加工方面提出合理的加工方式，加工方法，加工工具可以改善孔的加工質(zhì)量，提高加工效率。

參考文獻(xiàn)

[1]李富長(zhǎng)，宋祖銘，楊典軍.鈦合金加工工藝技術(shù)研究[J].南京機(jī)電液壓工程研究中心.

[2]張利軍，申偉.鈦合金材料的鉆孔技術(shù)分析[J].西安北方光電科技防務(wù)有限公司.

[3]高世博.鈦合金的深孔鉆削加工工藝分析及其改進(jìn)方法[J].西安石油大學(xué).