北京鈦合金加工中心鈦合金！！！切削（xuē）加工（gōng）

時間：2022-09-03 10:15:49 點擊：611次

作者（zhě）：鄭文虎張明傑

單位（wèi）名稱：中車北京南口機械有限公司

文章來（lái）源（yuán）：《金屬加工》(冷加工)2017年第16期

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1.概述

鈦合金具有密度小（約（yuē）4.5g/cm³）、強度高以及耐腐蝕（酸、堿、海水和大氣（qì）等介質）等一係列優良的力學和物理性能（néng）。因此在航空、航天、核能、化（huà）工、石油、冶金和醫療器械等工業中得到越來越廣泛地應用。

（1）鈦合金的分類。鈦是同素（sù）異構體，溶點（diǎn）為1720℃，同素異構轉變溫度為882℃。在（zài）低於882℃時，鈦呈密排六方晶格結構，稱為α鈦（tài）。在882℃以上時，呈體心立方晶格結構，稱為β鈦。利用上述兩種結構的不同特點，添加不同（tóng）的合金（jīn）元素，使其相變溫度及相分含量（liàng）逐漸改變，從而得到不同組織的鈦合金。

在室溫下，鈦合金（jīn）有三種基本組織（zhī），可分為以（yǐ）下三類（lèi）。①α鈦合金。由α固溶體組成的單相合金。耐（nài）熱性高於純鈦，組織穩定，抗氧化能力強，在500～600℃下仍保持其強度，抗蠕變能力強，但不能進行熱（rè）處理（lǐ）強化，牌號有TA4～TA8。硬度為240～300HB，抗拉強度σb為（wéi）340～981MPa，伸長率δ為10%～25%，衝擊值ak為(29.43～58.86)×104J/m2，熱導率к為7.54～10.47W/m·K。②β鈦合金。由β相固溶體組成的單相合金（jīn）。不經熱處理就有較高的強（qiáng）度，淬火時效後，合（hé）金得到（dào）進一（yī）步強化，但熱穩（wěn）定性差，不宜在高溫下使（shǐ）用（yòng），牌號有TB1、TB2。硬度為240～300HB，抗拉強度σb為1079～1373MPa，伸長率δ為18%，衝（chōng）擊（jī）值ak為（wéi）29.43×104J/m2，熱導率（lǜ）к為6.28W/m·K。③α+β鈦合金。由α和β雙向組成，既有α穩定元素，又有β穩定元素，如Cr、Co、Fe、Ni和Mn等β共析型元（yuán）素，穩定了β相。Sn、Zr兩種元素在α和β相中都具有相當大的固溶性，是有效的強化劑。這類合金組織穩定（dìng），有良好的高溫變形性、韌性和（hé）塑性，能進行淬（cuì）火和時效，使合金強（qiáng）化。熱處理後的強度比退（tuì）火狀態提（tí）高50%～****。高溫強度高，可在400～500℃下長期工作，熱穩定性（xìng）僅次於α鈦合金。牌號有TC1～TC10。硬度（dù）為210～365HB，抗拉強σb為589～1059Mpa，伸長率δ為10%～15%，衝擊值ak為（wéi）(29.43～44.15)×104J/m2，熱導率к為5.44～9.63W/m·K。

三種鈦合金中，α鈦合金的切削加工性相對較好，α+β鈦合金次之，β鈦合金***差。其中，***常用（yòng）的是α鈦合金和α+β鈦合（hé）金。

（2）鈦合金的性能特點。

①比強度高。鈦合金的密度小，強度高，所以他的比強度（σb/ρ）大於超高強度鋼。

公司在國內知名專家教授的引領帶動（dòng）下，組建（jiàn）了一支國內******的超精（jīng）密技（jì）術研發團隊，研發團隊在超（chāo）精密機床的單元（yuán）技術（shù）、切削機理和工藝、成套技術及應（yīng）用工（gōng）藝方麵（miàn）具備豐富（fù）的技（jì）術經驗（yàn）和實踐積累（lèi）。可（kě）為北京精（jīng）密零件加工，北京鋁合金異（yì）型件加工製造相關產業提供優質的技術服務。

②熱強性高。鈦合金的熱穩定性好（hǎo），高溫強度高，能在500℃下長期工作，而鋁合金隻能在200℃以下工作。鈦合金在300～500℃溫（wēn）度下的強（qiáng）度比鋁合金約高10倍。

③抗蝕性好。鈦合金在（zài）潮濕大氣和海水介（jiè）質中能（néng）長期（qī）工（gōng）作，其抗蝕能力遠優（yōu）於不鏽鋼（gāng）。對點蝕、酸蝕（shí）和應力腐蝕的抵抗能力很強。對堿、氯化（huà）物、氯的有機化合物、硝酸以及硫酸等有優越的抗蝕能力。但鈦對具有還（hái）原（yuán）性氧及（jí）鉻鹽（yán）介質的抗蝕性差。

④化學活性大。鈦與大氣中的O、N、H、CO、CO2、水蒸氣（qì）和氮氣等產生強烈的化學反應（yīng）。當含碳量大於0.2%時，會在（zài）鈦合金中形成硬質TiC。溫（wēn）度較高時，與N作用，也（yě）會形成TiN硬質表層。在600℃以上時，鈦能吸收氧形（xíng）成硬度較高的（de）硬化層。氫含量上（shàng）升，也會形成硬化（huà）層。鈦吸收氣體而產生硬脆（cuì）表層的深度可達0.1～0.15mm，硬化程度比基體硬度高20%～30%。鈦的化學（xué）親和性也大，易與摩擦表麵產生粘（zhān）結現象。

⑤熱（rè）導率（lǜ）低，彈性模（mó）量小。鈦的熱導（dǎo）率（lǜ）很低，為15.24W/m·K，是鎳（niè）的1/4，鐵的1/5，鋁的1/4。而各（gè）種鈦合金的熱導率更低，一般為鈦的（de）50%。如TC4的к為7.95W/m·K，TC9的к為7.12W/m·K。鈦和鈦合金的彈性模量E為110 000MPa，約（yuē）為一般鋼材的1/2，故剛度差，易變形。⑥低溫性能（néng）好。鈦（tài）合金在低溫和（hé）超低溫（-100～-253℃）條件下（xià），仍保持其力學性（xìng）能,是一種重要的低溫結（jié）構材（cái）料（liào）。

2.鈦合金的切削特點（diǎn）

鈦的溶（róng）點高（1720℃），激活能大，晶格原子（zǐ）不易（yì）脫離其平衡位（wèi）置，故在切削加工（gōng）時，切離成切屑所消耗（hào）的能量大。加入的合金元素愈多，則合金的強（qiáng）度、硬度愈高，愈難於切削加（jiā）工。試驗證明，鈦合金的硬度（dù）大於（yú）350HB時，切削加工越困難（nán）。而硬度小於300HB時，易出現粘刀，也難於切削。鈦（tài）合金***好的切削加工硬度是300～350HB。鈦（tài）合金難於切削的（de）原（yuán）因不隻是硬度這一項，還因他本身的其（qí）他力（lì）學性（xìng）能（néng）、物（wù）理性（xìng）能和化學性能等因素的影（yǐng）響。其切削特點如下。

（1）變（biàn）形係數小。切削鈦合金的切屑變形（xíng）係數略小於（yú）1或接近於1，這是（shì）切削鈦（tài）合金時一大顯（xiǎn）著特點。其（qí）塑形變形小和切屑收縮率小，是因為在切（qiē）削高溫時，鈦由α向β轉變，而β鈦的體積增大，引起切屑增長，在高溫的作用下，鈦屑吸收空氣中的O、H和（hé）N，使鈦屑喪失了塑性，切屑不再（zài）收縮。

（2）切削溫度高。由於鈦合金（jīn）的熱導率低（dī），切（qiē）削熱傳（chuán）出困難，致使切削區溫度（dù）增高。所以在相（xiàng）同的切削條件下（xià），他的切削溫度比切削45鋼高將近1倍（bèi）。還因其塑性變形小，切屑與（yǔ）前刀麵接觸短，切削熱集中於切削刃狹小區域內，不易傳出而造成。

（3）單位麵積上的（de）切削力大。切削鈦（tài）合（hé）金的主（zhǔ）切（qiē）削力比切削一般鋼材小（xiǎo）20%左右。但由於刀（dāo）具與（yǔ）切屑的接觸的長度（dù）短，使單位麵積上的切削大（dà）大增加，容（róng）易造成刀具崩刃。

（4）刀具易磨損。鈦（tài）合金毛坯經過鍛造、熱軋（zhá）等方法加工後，形成硬而脆的不均勻外皮，極易造（zào）成刀具磨損。再由於他的切削溫度高，切（qiē）屑與刀具前刀麵接觸（chù）短，散熱條件差，加之其彈性（xìng）模量小，彈性恢複大（約為（wéi）切削不鏽鋼（gāng）的2～3倍），與刀具後刀麵的摩擦麵積大，親和性大，易造成（chéng）刀具磨料、粘結、擴散和氧化磨損。

（5）易產生表麵變質汙染層。由於鈦合金的化學活性大，易與各種氣體雜質產生強烈的（de）化學反應。如O、N、H、C等（děng）侵入鈦（tài）合金表層，易（yì）形成TiC、TiN硬質表層，致使表層的硬（yìng）度（dù）和（hé）脆性上升。

3.切削鈦合金加（jiā）工條件的選擇

（1）切削鈦合金的刀具材料。切（qiē）削加工鈦合金時，應選用硬度（dù）高、耐磨性好、抗彎強度高、熱導率（lǜ）高和與鈦合金親和作用小的刀具材料。①高速鋼。應******含鋁、含鈷超硬高速鋼和高釩高速鋼，因其常溫和（hé）高溫硬度比普通高（gāo）速鋼高（gāo）6～8HRC，刀具耐（nài）用度可提高4倍以上。牌號有W6Mo5Cr4Ν2Al、W2Mo9Cr4ΝCo8以及W12Mo3Cr4Ν3Co5Si等。②硬質合金。應選（xuǎn）用（yòng）添加TaC或NbC的YG類細晶粒或超細晶粒硬（yìng）質合金。這類合金不僅硬度高、耐磨性好，而（ér）且刀具耐用度也高幾倍（bèi）。牌號（hào）有YS2、YG813、YD15和YG6x等。塗層（céng）硬質合金不宜選TiN和TiC塗層，應選TiAlN和TiAlSi塗層及金剛石塗層。③超硬刀具（jù）材料。如人造聚晶金剛石（PCD）、人造厚膜釺焊金剛石（CΝD）和立方氮化硼（PCBN）。他們（men）均可高速（Ν_c≥200m/min）切削鈦（tài）合金，其（qí）刀具耐用度是硬質合（hé）金的幾十倍至幾百（bǎi）倍，且加工質量好。

（2）切削鈦合（hé）金的刀具幾何參數。

①前角。鈦（tài）合金在切削時，切（qiē）屑與刀具前刀麵接觸很短，前角小時，可增大切屑與前刀麵的接觸麵積，使切削力和切削熱（rè）不致過分集中在刀具刃口上（shàng），改善散熱條件的（de）同時保護刀刃，減少了崩刃的可能性。一般γ0=5°～15°。高速鋼刀具，γ0=10°～15°。超硬刀具材料的刀具，γ0=0°～5°。

②後角。由於鈦合金（jīn）的彈性模量小，為一般鋼材的1/2，所以在切削時，切削表麵和已加工表麵（miàn）的彈性恢複大，為了減小刀（dāo）具後刀麵和工（gōng）件的（de）摩（mó）擦和磨損，一般α0≥15°。

③主、副偏角（jiǎo）。鈦合金在切削時，切削溫度高，刀（dāo）屑接觸短，為增大刀尖強度、改善散熱條件並減小刀刃單位長度負（fù）荷，在粗加工時，κr≤45°，κr=10°～15°；精（jīng）加工時，κr>75°。

④刃傾角。由於毛坯表皮組織不均勻和硬皮，為了增大刀尖強度，粗加工時，λs=-5°～-3°；精加工時，λs=0°～3°。

⑤刀尖圓弧半（bàn）徑。一般取rε=0.8～1.2mm。

（3）切削鈦合金的切削用量。由（yóu）於鈦合金的性能和切削特點，影響刀具（jù）耐用度的主要因素為切削（xuē）溫度。因此，力求選用***佳切削溫度（dù）下相（xiàng）對應（yīng）的切削速度。高速鋼刀具的***佳切削溫度為480～540℃，相對應的切（qiē）削速度為ν_c=8～12m/min；硬質合金刀具的***佳切（qiē）削溫度為650～750℃，相對（duì）應的切削速度為Ν_c=25～54m/min。但進（jìn）給量對（duì）鈦合金（jīn）的切削溫度也影響比（bǐ）較大，ƒ大切（qiē）削溫度高，所（suǒ）以一般（bān）ƒ不宜大於0.3mm/r。PCD、CΝD刀具的（de）Ν_c=100～200m/min，但一般幹切取小值，濕（shī）切取中偏大值。切削鈦合金時，應（yīng）避免高速微量幹切削，以免（miǎn）微（wēi）小的鈦屑在空氣中發生自燃。

（4）切削鈦合金的切削液。為了降低切削溫度，應在切削區澆注大（dà）量以冷卻為（wéi）主的切削液。對（duì）切（qiē）削液的（de）熱導率、比熱、熱容量、汽化（huà）熱、汽化速度、流量和流速要求較高。一般是水（shuǐ）比油的熱導率高3～5倍，比熱大1倍（bèi），汽化熱大約10倍，故水溶性冷卻性能***好。在（zài）車削、銑削和（hé）鑽削時，常采用乳化液或采用添加極壓添加劑（含S、P和Cl）的水溶液。

極壓水溶液（yè）的配方是：氯化（huà）脂（zhī）肪（fáng）酸、聚氯乙烯0.5%～0.8%，磷酸三鈉0.5%，三乙醇胺1%～2%，亞硝酸（suān）鈉1.2%，其餘為水。

在擴（kuò）孔、鉸（jiǎo）孔、拉削和（hé）攻絲時，應采用潤滑性能好的極壓切削油、蓖麻油、油酸、硫化油和氯化油等。

（5）切削鈦合金應注意的問題（tí）。

①切削鈦合（hé）金時（shí）應避（bì）免微量（liàng）切削，以避免自燃（rán）現象（xiàng）發生。一旦著火，應采用滑石（shí）粉、石灰粉和幹砂滅火。嚴禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器，不能（néng）澆水，以免加速（sù）燃燒，導致氫爆炸。

②在銑削時，應盡量采用順銑和（hé）不（bú）對稱銑，這樣在（zài）切離時切（qiē）屑很薄（báo），不易粘（zhān）在刀刃上，避免在切入時損壞刀刃。不對稱銑的偏心距ｅ=(0.04～0.1)d₀，d₀為銑刀直徑。

③由（yóu）於鈦合金的（de）彈性模量為（wéi）鋼材（cái）的1/2，在夾緊時易產生變形，直接影響加工（gōng）精度。所以在安裝工件時，夾緊力要適當（dāng）而不宜（yí）過大，必要時增加輔助（zhù）支撐（chēng）。

④采用高速鋼鑽頭鑽孔時，鑽型盡（jìn）可能采用三尖七刃的（de）群鑽，鋒角2φ=135°～140°，橫刃寬度b=(0.05～0.1)d0，有利於排屑和減小軸向力及改善（shàn）散熱條件。Νc≤12m/min，Νc偏高會加快（kuài）鑽頭磨（mó）損。⑤攻絲是切削鈦合金***困難的工序，特別是（shì）小直徑螺紋。因其（qí）彈性模量小，回彈大，絲錐與工件接觸麵積大（dà），造成摩（mó）擦扭矩增大，一（yī）般約為攻45鋼的1倍，造成絲錐磨損過快，甚至被咬（yǎo）死折斷在螺孔中。為了改（gǎi）變（biàn）這種不良現象，應在（zài）攻絲（sī）前把絲錐的後角用金剛石什錦銼加大到約15°，且適（shì）當加大螺（luó）紋底孔直，使牙高率為70%左右。

4.結語

雖然（rán）鈦合金屬於難切削材料，但隻要熟知他的性能和切削特點，合理選擇刀具材料、刀具幾何參數、切削用量、切削液和注意在切削中的問題，就一定能順利完成對他的各種（zhǒng）切削加工。

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刀具約稿函

2018年金屬加（jiā）工（冷加工）雜誌刀具欄目約稿如下：

（1）刀具的******技術及發（fā）展趨勢。（2）刀具的******設（shè）計理念與製造經驗。（3）刀具的選（xuǎn）型和應用。（4）在實際加工過程中使用（yòng）刀具（jù）的心得。（5）刀具使用的具（jù）體案例分析或解（jiě）決（jué）方案（àn）的改進等。

本次約稿的刀具欄目文章側重於金屬（shǔ）加（jiā）工（gōng）冷加工範疇，來稿一經錄用，馬上安排發表！官方投稿網（wǎng）址：tougao.mw1950.cn，點擊（jī）網址，登錄網站，注冊賬戶後按步驟進行投稿，希望廣大作者和讀者積極投稿！投稿不需支付任何費用！

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