钛合金材料的机械加工工艺分析

钛合金材料的机械加工工艺分析

权文媛

宝鸡钛业 股份有限公司 陕西省宝鸡市 721000

摘要：因钛合金材料具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点，被广泛应用到越来越多的行业，但钛合金材料的成形性不好及焊接性能差等不足，制约着钛合金材料的发展。本文通过对钛合金材料的特性、加工特点和注意事项进行论述，对钛合金材料的机械加工工艺进行分析，希望对钛合金的机械加工有所帮助。

关键词：钛合金材料；机械加工；加工工艺

钛合金材料具有质量轻、强度高、密度小，机械性能好、韧性好和抗腐蚀性能好等优点，被应用到航空航天、汽车制造、航海及日常用品等领域。钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间。利用钛合金强度大、超级耐腐蚀的特点制成的高强度弹簧，已经广泛运用于床垫等民用领域。但钛合金材料的工艺性能较差，抗磨性差，生产工艺复杂，切削加工困难，尤其在热加工中，非常容易吸收碳、氮、氢、氧等元素杂质，而降低其性能。钛合金材料的机械加工及成形性能制约着钛合金材料的应用。

1 钛合金材料的特性

钛合金材料的热强度高使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度。抗腐蚀性好，钛合金材料运用在潮湿的环境和海水环境中，其抗腐蚀性能远优于不锈钢。钛合金材料具有特别强的点蚀、酸蚀、应力腐蚀的特性，在酸、碱、氯化物等环境中具备优良的抗腐蚀特性。低温性能好，钛合金材料在低温和超低温环境中，仍能保持其力学性能。钛合金材料的比重、强度及使用温度范围介于铝和钢之间，其质量轻、强度高并具有优异的抗腐蚀性能和超低温性能，特别适合应用于航空航天、航海、汽车制造等领域的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等。随着对钛合金材料的不断研究及科学技术手段的不断进步，其在很多领域的运用也逐渐成熟，并发挥了其优越性，但在实际加工、生产及应用方面，钛合金材料在进行机械加工时还存在着需要解决的问题。钛合金材料与其他金属材料相比，因其钛合金本身的导热性较差和较强的化学活性，对具有还原性氧及铬盐介质的抗腐蚀性能较差，导致钛合金材料的成形性不好及焊接性能差等问题。尤其当钛合金材料的硬度大于HB350时切削加工特别困难，而小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削加工。所以实际的加工操作中一定要严格遵钛合金材料的加工原则，按着科学的加工工艺，才能保证钛合金材料的质量和使用的预期效果。

2 钛合金材料加工特点

钛合金材料的硬度是影响其机械加工的重要因素，其本身理化性质、力学性能对机械加工也会产生重要的影响。钛合金材料的机械加工特点主要体现在(1)变形系数小，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)加工温度高，由于钛合金材料的导热系数很小，当对钛合金材料进行切削加工时，切屑与前刀面的接触长短，切削时产生的热不易传出，绝大部分热量主要集中在切削区和切削刃附近，切削温度很高。（3）单位面积上的机械加工力大，增加了加工难度和力度，钛合金材料的强度大，加工时容易在径向力作用下容易产生变形，影响成品件的精度。(4)冷硬现象明显，出现这种现象的原因是钛的化学活性大，在高温环境中，因吸收环境中的氧或氮等元素形成硬而脆的外皮表面，从而降低了成品件的抗疲劳强度。(5)刀具易磨损，钛合金材料在冲压、锻造、热轧等初级加工后，形成的硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刃现象。（6）粘刀现象，由于钛合金材料的硬度及对刀具材料的化学亲和性，在高温和单位面积上加工力大的情况中，刀具很容易产生粘结磨损。

3 钛合金材料加工注意事项

结合钛合金材料的机械加工特点，分析钛合金材料的加工注意事项。(1)由于钛合金材料的变形系数小，钛合金材料在加工过程因处于高温和较大的加工力时，容易造成材料变形，降低材料成品的加工精度；因此在材料加工前，安装夹紧力不宜过大，必要时通过增加辅助支承，减小不必要的夹紧力。(2)避免使用含氢的切削加工液，切削加工过程中的高温环境容易分解释放氢气，被钛吸收引起材料的氢脆甚至导致钛合金材料高温应力腐蚀开裂。(3)材料机械加工过程注意人员和材料的防护，防止切削液中的氯化物分解货挥发对人员的危害。(4)禁止使用铅、铜、锡、镉、锌基合金制作的工、夹具，避免钛合金材料发生化学反应，从而影响材料的性能。（5）选用合适的刀具材料，针对加工钛合金材料的成分、特性、加工工艺选择合适的刀具材料。从降低切削温度和减少粘结两方面考虑，刀具材料应选择行业普遍常用、耐磨性好、热硬性高、导热性能好、够韧性足、与钛合金亲和性差的材的刀具。

4 钛合金材料的机械加工工艺分析

钛合金材料的机械加工工艺包括车削、钻削、铣削、插铣、攻丝、磨削和电火花加工等。加工过程几乎都通过对刀具材料、切削液、刀具几何参数及具体工艺参数进行合理选择和优化，以生产出满足设计需要的成品，达到客户的满意。

4.1刀具材料选择

加工钛合金材料应充分了解钛合金材料组成，从降低切削温度、减少粘刀、切削力度等方面考虑，选用硬性好、抗弯强度高、耐磨性高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料。根据加工工艺不同，选择含铝、高钴、高钒、粉末冶金等高速钢质刀具，制作切削钛合金的钻头、铰刀、立铣刀、拉刀、丝锥等刀具，以适应高速加工钛合金的工艺；从刀具硬度方面考虑，YG8、YG8W、YG10H、YP15等型号的硬质合金刀具是不错的选择；涂层刀具具有很好的抗氧化、抗粘刀、强耐磨性能，因此使用涂层刀具也是不错的选择但涂层刀具与钛合金残留产生剧烈的亲和作用，会加剧刀具的粘结磨损；立方氮化硼（CBN）刀具其硬度强及热硬度性能极好，是高速精加工钛合金材料的理想刀具；聚晶金刚石（PCD）刀具因其高硬度、高耐磨性、高导热性等性能，对钛合金材料进行高速、精度、稳定加工具有很好的效果。

4.2切削液选择

使用切削液,可以带走刀刃部位集中的热量及冲走材料的切屑，以降低切削阻力，提高机械加工的效果，因此选择有效的冷却和使用切削液能提高钛合金机械加工的生产效率及切削刀具的稳定性，有效的提高钛合金材料的加工质量。目前使用的切削液有三类，水或碱性水溶液、水基可溶性油质溶液和非水溶性油质溶液。

4.3刀具几何参数设置

在钛合金材料粗加工时，要求车刀硬度性能要好，刀具前后角要小，避免刀具切削时磨卷屑槽；精加工时为得到良好的精度和稳定性，要求刀具不能带有倒棱，并适当调整前后角的角度。使用钻头对钛合金材料进行加工时，包保证钻头的排屑顺畅及钻头的冷却速度，钻头螺旋槽尽可能的做到抛光处理，调整钻头顶角及后角的角度，以增大切削厚度和宽度。丝锥过程处于半封闭状态，切削液的散热及润滑效果差，为防止出现“抱锥”现象，造成丝锥崩齿、断裂，设置前后角的角度时应进行及时修正。

4.4加工工艺分析

车削时，注意观察切削速度、深度和走刀量；钻削时，注意勤退刀及时清除切屑，加足切削液，选择硬度高、亲和性差的钻头；铣削时尽量采用顺铣，切削由厚到薄，降低切屑黏连；对钛合金材料攻丝时优先选用一丝到位的跳牙丝锥，齿数应较标准丝锥少，且选择短丝锥增加硬度。磨削时选择硬度大、粒度小的砂轮材料，速度不宜过快，尽量不宜过大，并保证充足的切削液冷却。经过机械加工的钛合金材料表面产生应力，加工后应在真空炉内及时进行加热保温及退火处理，避免退火过程吸氢。

5 结语

钛合金材料进行机械加工过程要充分考虑其合金特性、注意把控加工工艺特点和注意事项，以切实提高钛合金材料的加工效率、质量。

参考文献

[1] 史寅栋.钛合金切削加工性影响因素及表面质量控制的研究[D].太原: 中北大学,2018.

[2] 徐吉存，陈洪军，曹文智.钛合金材料高效高速加工机床应用现状及发展趋势[J].金属加工（冷加工），2018(5).