浅析钛合金孔加工技术

浅析钛合金孔加工技术

钛合金材料具有密度小，硬度和比强度高，抗腐性能强等优点，在航空、航天领域中得到广泛的应用。但其加工性能较差，在很大程度上制约着钛合金零件加工质量和生产效率，尤其在钻孔和攻丝方面表现较突出。文章主要叙述钛合金的性能特点，分析影响钛合金孔钻削加工的因素，并提出改进钛合金孔钻削加工的相应措施。

标签：钛合金；孔加工；加工技术

1 钛合金性能特点

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。钛合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：α钛合金，β钛合金和α+β钛合金。由于合金组织稳定，高温变形性能、韧性、塑性较好，是航空业重要的原材料。钛合金特点主要表现在：

1.1 强度高、热强度高、耐蚀性好

钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，僅为钢的60%，但钛合金的比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料。其次，钛合金热稳定性好，在中等温度下仍能保持所要求的强度，在300℃～500℃条性下，仍有很高的比强度，约为铝合金的3～4倍。钛合金对应力腐蚀的抵抗力特别强，且表面形成的致密的氧化膜对酸、碱、氯化物、氯的有机物品具有优良的抗蚀能力。因此在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等方面都有对钛合金使用。

1.2 导热性能差

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%，因而散热慢，不利于热均衡，特别是在钻削加工过程中，散热和冷却效果更差，在切削区易形成高温。

1.3 钛及其合金化学活性高

钛及其合金能与空气中的0、N、H、C0、CO2、水蒸气等产生化学反应，在钛合金表面形成TiC及TiN硬化层，使得脆性加大，塑性下降；在高温高压下加工，与刀具材料起反应，形成溶敷，扩散而成合金，不利于切削加工。

2 在钛合金孔加工过程中出现的问题

影响钛合金孔加工质量的因素有很多。通过了解钛合金性能特点，分析其加工特性，结合在加工中出现的问题，钛合金加工的难度主要体现在以下几点。

（1）在钻削加工过程中，在钻削区易形成高温；再加上钻头与前刀面接触面积小，刀尖应力大，切屑不易排出，钻削用量不易控制，易造成零件变形和烧刀现象。

（2）钛合金弹性模量小，在钻孔时钛合金在钻削力作用下产生较大的变形；在完成加工起钻时，使已加工表面产生较大的回弹，引起加工的零件超差，加工面粗糙。

（3）由于钛及钛合金化学活性高，钛合金亲和力大，加之高温高压作用，在钻削时易产生粘刀现象，切屑挤在钻头沟槽中不易排出，造成刀具粘接产生积屑瘤，甚至出现扭断钻头等现象。

鉴于钛合金孔在加工中易山现上述等问题，在钛合金加工中需要改进加工方法，通过改进工具来提高钛合金加工孔的质量和加工效率。

3 提高钛合金孔加工质量的措施

由于钛合金在孔加工时易出现高温区、烧蚀刀具，产生积屑瘤，零件超差，加工面粗糙等现象，在孔的加工中可以从以下几个方面来提高孔的质量和加工效率。

3.1 选择合适的钻头和工具

（1）经不同材料的钻头试验分析，超细品粒硬质合金钻头加工钛合金时刃口锋利、磨损小，效率有了显著的提高，是比较理想的刃具材料，如果没有条件可以选择高速钢M42，B201或硬质合金钻头。

（2）在钻头上设计四条导向刃，可以增加钻头的截面惯性矩，提高刚性，其耐用度比标准钻头高3倍左右。同时由于导向稳定减小了孔扩张量，如Ф3mm 的四条导向刃钻头孔扩张量仅为0.03mm，而标准钻头为0.06 mm。

（3）采用“S”形或“X”形修磨钻头横刃，横刃长度为0.08～0.1钻头直径，同时保证横刃的对称度小于0.05mm。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在钻孔时的轴向力。

（4）选择适宜的枪钻：在钻钛合金长径比大于5的深孔时，当孔径小于等于30mm时，一般采用硬质合金枪钻；当孔径大于30mm时，采用硬质合金钻头或喷吸钻等。

3.2 选择正确的切削液

选用适合钛合金加工的冷却方式，进行有效的冷却，可延长切削刀具的寿命，提高加工效率。

（1）在钻浅孔时可选用电解切削液，其成分为三乙醇胺，癸二酸，硼酸，亚硝酸钠，甘油和水。

（2）在钻深孔时，因为水在高温下可能在切削刃上形成蒸汽气泡，易产生积屑瘤，使钻孔不稳定，不宜选用水基切削液。一般采用豆油，必要时可加入钻孔攻丝专用油和添加剂为切削液，经高压空气油雾器雾化后，通孔道直接将冷却气雾送至切削区域，进行冷却和润滑，且切屑易排出钻头，获得更佳的冷却润滑效果。

3.3 采用合理的加工方式

钛合金的性能特点要求钻削在加工时钛合金需采用合适的方式。一般采用低转速，适中的进给量；在加工深孔时要勤退刀并及时清除切屑，注意切屑的形状和颜色。如在钻削过程中切屑出羽状或颜色变化时，表明钻头已钝，应及时换磨刀刃。

为了提高工艺系统刚性，钻模应固定在工作台上，钻模引导宜贴近加工表面，尽量使用短钻头；当采取手动进给时，钻头不得在孔中不进不退，否则钻刃摩擦加工表面，造成加工硬化，使钻头变钝，影响孔的质量和加工效率。

4 结束语

钛合金材料在航空、航天领域中被广泛应用。但其较差的加工性能，制约着钛合金零件加工质量和生产效率，尤其在钻孔和攻丝方面表现较突出。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质量，提高加工效率。

参考文献

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[2]张利军，申伟.钛合金材料的钻孔技术分析[J].西安北方光电科技防务有限公司.

[3]高世博.钛合金的深孔钻削加工工艺分析及其改进方法[J].西安石油大学.