鈦合金加工工藝技術(shù)的探索

姚琦

摘? 要：我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于快速發(fā)展的重要階段，也讓我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)逐漸達(dá)到世界領(lǐng)先水平。材料應(yīng)用是未來(lái)我國(guó)工業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵內(nèi)容，比如擁有高強(qiáng)度、強(qiáng)抗腐蝕性能的鈦合金，是例如飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等精密設(shè)備的最佳制造材料。但是其也擁有熱傳導(dǎo)系數(shù)較小、比熱低等特性，在加工制造方面要比其他材料更為困難。本文簡(jiǎn)要分析鈦合金特性，從多個(gè)角度研究鈦合金加工工藝，旨在為我國(guó)工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展貢獻(xiàn)力量，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鈦合金;加工工藝;技術(shù)研究

前言：

國(guó)家發(fā)展水平受到工業(yè)生產(chǎn)影響，而工業(yè)生產(chǎn)又離不開材料應(yīng)用，可以預(yù)見未來(lái)全球工業(yè)發(fā)展突破口將是材料的開發(fā)利用。我國(guó)整體工業(yè)生產(chǎn)水平達(dá)到世界平均水平，甚至某些領(lǐng)域已是世界領(lǐng)先水平，可以在一些領(lǐng)域仍落后于世界平均水平，例如鈦合金加工。為讓我國(guó)工業(yè)得到進(jìn)一步發(fā)展，有必要對(duì)鈦合金加工展開系統(tǒng)性分析。

1鈦合金特性

1.1強(qiáng)度高

相較于普通鋼材，鈦合金密度偏低，而擁有更高純度的工業(yè)純鈦的密度更低。所以，鈦合金和工業(yè)生產(chǎn)常見的金屬材料相比較，擁有更大的強(qiáng)度大，同時(shí)密度較低，材料質(zhì)量偏輕，在工業(yè)生產(chǎn)中多以利用鈦合金特性生產(chǎn)擁有較高點(diǎn)強(qiáng)度、良好剛性、質(zhì)量較輕的金屬板或金屬管等工件，應(yīng)用在飛機(jī)、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備生產(chǎn)中。

1.2熱強(qiáng)度高

鈦合金擁有較高的熱強(qiáng)度。相較于工業(yè)生產(chǎn)常見的鋁合金，鈦合金擁有更高的使用溫度。在450℃～500℃的高溫條件下，鈦合金依舊可以保持各種金屬特性，但是在生產(chǎn)溫度提升至150℃，鋁合金強(qiáng)度已經(jīng)發(fā)生明顯變化，極限溫度僅有200℃，溫度超過極限溫度，鋁合金將無(wú)法保持原有形態(tài)。部分鈦合金極限溫度為550℃，極少數(shù)鈦合金的理論極限溫度可達(dá)700℃，遠(yuǎn)超過同類金屬材料，擁有更為廣泛的適用性[1]。

1.3低溫條件下保持力學(xué)性能

即使環(huán)境溫度偏低，鈦合金仍然可以保持正常力學(xué)性能。部分退火鈦合金可以在-195.5℃條件下?lián)碛辛己玫难有耘c斷裂韌性，例如間隙元素含量偏低的Ti-5AI-2.5Sn，即便在-252.7℃條件下仍可以正常使用。正因?yàn)殁伜辖鹂梢栽诘蜏貤l件下?lián)碛蟹€(wěn)定的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域。

1.4擁有良好的耐腐蝕性

不銹鋼可以在潮濕環(huán)境中保持良好的耐腐蝕能力，而鈦合金的耐腐蝕性能遠(yuǎn)超過不銹鋼。如果遇到例如酸蝕堿、硝酸等化學(xué)試劑，鈦合金也可以維持設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.5較高的化學(xué)活性

鈦擁有較高的化學(xué)活性，可以和空氣中的氧、氫、一氧化碳等物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成其他物質(zhì)，改變鈦合金性質(zhì)。例如在環(huán)境碳含量超過0.2%，會(huì)在鈦表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生質(zhì)地偏硬的TiC;如果環(huán)境溫度偏高，空氣中氮和鈦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成TiN;如果環(huán)境溫度超過600℃，并與空氣直接接觸，鈦也會(huì)和空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并與表面生成硬化層。

2鈦合金加工應(yīng)遵守的幾項(xiàng)原則

2.1選擇硬質(zhì)合金刀具對(duì)鈦合金加工

在對(duì)鈦合金作低速切斷時(shí)，首選鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具;如果是一些加工溫度高、工藝復(fù)雜加工條件，則替換成擁有高溫性能的刀具，例如立方氮化硼（cubicboronnitride，CBN）刀具，避免刀具在高溫條件下失去原有性能，喪失加工能力[2]。

2.2保證擁有合適的接觸長(zhǎng)度

加工刀具要保證前角小、后角大，讓鈦合金的切屑可以和前刀面擁有較長(zhǎng)的接觸長(zhǎng)度，以此控制工件過度摩擦后刀面的影響，保證刀具使用壽命?？梢詫⒌都庠O(shè)計(jì)為圓弧過渡刃，讓刀刃可以在加工期間保持良好鋒利度，讓切屑可以順利排出，避免讓加工產(chǎn)生的粘屑影響刀刃完整度。在對(duì)鈦合金加工處理時(shí)，需要嚴(yán)格控制切削速度，低速切削即可。避免在刀尖處產(chǎn)生過高的切削溫度。而且，鈦合金的進(jìn)給量也需要嚴(yán)格控制，規(guī)避過度損耗加工刀具。

2.3在加工期間注意鈦合金的冷卻處理

在加工鈦合金期間，需要通過添加冷卻液方式，對(duì)加工部分進(jìn)行冷卻處理。因?yàn)樵诩庸も伜辖饡r(shí)，刀具會(huì)受到偏大阻抗力影響，所以會(huì)在刀尖和鈦合金接觸的部位產(chǎn)生較大的熱量，極容易影響刀具正常使用。冷卻液可以降低加工熱量，保證刀具的使用壽命，降低對(duì)刀具造成的額外損傷。

3鈦合金加工工藝技術(shù)分析

3.1車削

作為鈦合金常見的加工工藝，鈦合金不具有良好的熱傳導(dǎo)性，是車削加工最大問題。在車削鈦合金過程中，會(huì)生成大量高溫，這些高溫并不會(huì)被鈦合金吸收，所以讓切削刃和切屑獲得良好化學(xué)反應(yīng)條件，在切削刃上生成其他產(chǎn)物，再進(jìn)行車削就容易造成刀具磨損。如果可以控制切屑厚度偏薄，車削生成的熱量會(huì)明顯降低，也可以適當(dāng)提升車削加工速度。所以，可以刀具、切削參數(shù)等方面做適當(dāng)調(diào)整：以鈦合金加工條件為準(zhǔn)，選擇YG6，YG8等作為刀具材料，同時(shí)要保證刀具的前后角符合車削加工需求，對(duì)于刀尖做磨圓處理[3]。在車削過程中，要保證加工速度偏低，并要注意鈦合金的進(jìn)給量保持適中，對(duì)車削要擁有較大的深度，車削部位也要做好充分冷卻，確保鈦合金車削部分不會(huì)殘留過多熱量，保證車削效果。

3.2銑削

相較于車削，對(duì)鈦合金做銑削加工難度更大。在加工期間需要嚴(yán)格注意銑削加工的斷續(xù)切削，避免銑削生成的切屑大量粘黏在刀刃上，造成刀刃偏離原銑削軌跡，造成崩刃。而出現(xiàn)崩刃后，會(huì)影響刀具的正常使用，降低刀具使用壽命，提高鈦合金加工。為避免在鈦合金銑削加工期間出現(xiàn)相似問題，可以從以下幾個(gè)方面入手，合理優(yōu)化銑削工藝：第一、作為銑削常見方法，順銑需要使用優(yōu)質(zhì)刀具，建議選擇高速鋼，而且要保證在銑削過程中，工件要始終保持加緊狀態(tài);第二、逆銑加工產(chǎn)生的切屑厚度是從薄到厚，擁有一定厚度變化。這是因?yàn)樵趧傔M(jìn)行逆銑時(shí)，刀具會(huì)和工件產(chǎn)生干摩擦，生成大量粘屑。如果粘屑附著于刀具表面，會(huì)導(dǎo)致刀尖厚度增加，產(chǎn)生更多的厚切屑，也更容易出現(xiàn)刀具崩刃。所以，在鈦合金銑削加工時(shí)，需要保證切削液的正常供給，避免讓刀具長(zhǎng)時(shí)間處于干摩擦，影響刀具正常使用。B8DB1989-432E-4534-9651-7DDC738404FD

3.3磨削

鈦合金多會(huì)制作成鈦合金板或鈦合金管，而對(duì)工件進(jìn)行磨削加工可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)常見問題，在磨削期間，生成的粘屑會(huì)附著在砂輪表面，造成砂輪堵塞，進(jìn)而對(duì)工件表面造成不同程度的燒傷。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)殁伜辖鸩痪哂辛己玫膶?dǎo)熱性能，在磨削加工過程中生成的高溫難以被工件充分吸收，讓磨削部位逐漸積累過高溫度。在這種情況下，切削刃和磨料更容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，讓刀具出現(xiàn)磨損，影響鈦合金的磨削效果。同時(shí)，磨削期間產(chǎn)生的熱量也會(huì)有擴(kuò)散趨勢(shì)，在磨削部分出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)會(huì)加劇熱量對(duì)工件的影響，從而讓工件表面出現(xiàn)燒傷，影響工件后續(xù)使用。如果是對(duì)鈦合金鑄件進(jìn)行磨削加工，燒傷問題會(huì)更為明顯。建議使用綠碳化硅T作為砂輪材料，并且將砂輪的硬度控制在ZR1，保證砂輪擁有60粒度，讓砂輪保持低速狀態(tài)，鈦合金的給進(jìn)量也要適當(dāng)降低[4]。在磨削期間要通過乳化液，對(duì)磨削部位做有效冷卻，讓磨削產(chǎn)生的溫度可以被乳化液帶走，避免出現(xiàn)熱量集聚，以此控制工件表面的化學(xué)反應(yīng)，起到保護(hù)刀具與工件效果。

3.4鉆削

鉆削是鈦合金加工較為困難的工藝。因?yàn)殂@削會(huì)讓鉆頭刀刃在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生過度磨損，如果不做好排屑工作，或者對(duì)于鉆頭刀刃的冷卻不及時(shí)，極容易出現(xiàn)燒刀、斷刀等損傷刀具現(xiàn)象。面對(duì)燒刀、斷刀問題，可以在鉆削鈦合金過程中，做好以下幾點(diǎn)：第一、鉆削刀具材料建議使用高速鋼M42或者硬質(zhì)合金，保證鈦合金的鉆削質(zhì)量;第二、鉆頭刃磨要增加頂角，而在鉆頭的外緣則要降低前角，同時(shí)增加后角;第三、鉆削過程中要做到勤退刀，同時(shí)將加工生成的切屑及時(shí)用吹風(fēng)等方式清除，避免切屑在高溫條件下，與空氣中其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響鈦合金后續(xù)加工;第四、如果在鉆削加工期間，發(fā)現(xiàn)切屑形狀出現(xiàn)變化，或者切屑顏色變化，即證明鉆頭已經(jīng)變鈍，要立即停止當(dāng)前加工程序，對(duì)于鉆頭刃磨進(jìn)行更換，并向加工設(shè)備中注入足量的切削液，才能再繼續(xù)對(duì)鈦合金進(jìn)行鉆削加工。

結(jié)論：本文內(nèi)容雖然具有一定的參考價(jià)值，但是在應(yīng)用中仍需要以工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品、應(yīng)用領(lǐng)域等實(shí)際需求為準(zhǔn)，合理吸收本文理論知識(shí)，強(qiáng)化實(shí)踐生產(chǎn)水平。如果可以尋找有效方法，克服鈦合金加工遇到的各類問題，會(huì)讓我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)得到飛速提升，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，穩(wěn)定提高綜合國(guó)力。

參考文獻(xiàn)

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[2]吳春亞，陳明君，王廣洲，等.鈦合金加工用立銑刀的參數(shù)化建模研究[J].航空精密制造技術(shù)，2020，56（01）：1-4.

[3]李雅青，趙培軼，姜彬，等.銑削鈦合金加工表面形貌特征參數(shù)的預(yù)測(cè)[J].工具技術(shù)，2020，54（01）：41-46.

[4]孫小峰，初銘強(qiáng)，明偉偉，等.3D打印鈦合金構(gòu)件和鈦合金鍛件銑削加工性能對(duì)比研究[J].工具技術(shù)，2019，53（02）：39-42.B8DB1989-432E-4534-9651-7DDC738404FD