钛合金的切削加工(上)

  1．钛合金可分为哪几类?

    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α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，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) α钛合金：它是α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α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) β钛合金：它是β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) α+β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α钛合金。

    三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+p钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β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ρ=4.5g/cm³，熔点为1800℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σ_b=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=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7-1，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α钛合金，在350℃时TA6的巩达422MPa、TA7的σ_b达491MPa，在500℃时TA8的σ_b达687MPa；对于α+β钛合金，在400℃时TC4的σ_b达618MPa、TC10的σ_b达834 MPa，在450℃时TC6和TC7的σ_b均达589MPa、TC8的σ_b达706MPa，在500℃时TC9的σ_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σ_b分别为893MPa和1207MPa，在-196℃和-253℃时TA7的σ_b分别为1216MPa和1543MPa、TC1的σ_b分别为1133MPa和1354MPa、TC4的σ_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λ=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7-2。

   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VB_max<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γ₀：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γ₀=5°～15°。

    (2)后角α₀：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κ_r和副偏角κ′_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κ_r=30°，粗加工时取κ_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κ′_r =10°～15°。

    (4)刃倾角λ_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λ_s =-3°～-5°，精车时λ_s =O°。

    (5)刀尖圆弧半径r_ε：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_ε=0.5～1.5mm。

    车削时采用负倒棱(b_γ=0.03～0.05 mm，γ₀₁=-10°～0°)，断(卷)屑槽的槽底圆弧半径R_n=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7-3和表7-4。

    (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α_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α_p=1～5 mm。

车削钛合金的切削用量见表7-5。

     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，工件在加工中的夹紧变形和受力变形大，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7-6和表7-7。

    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) d_o为宜(d_o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)d_o(d_o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)d_o，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7-1。图中外内刃顶角2φ和2φ^′在钻头直径d_o>3～10mm时均为130°～140°，d_o>10～30 mm时为125°～140°；外刃后角α在d_o>3～10 mm时为12°～18°，d_o>10～30 mm时为10°～15°；横刃斜角ψ=45°；内刃前角γ_τ=-10°～-15°；内刃斜角τ=10°～15°；圆弧刃后角a_R=18°～20°。

    钛合金群钻的有关参数和钻削用量见表7-8和表7-9。

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