钛合金TC4零件的加工工艺研究

钛合金TC4零件的加工工艺研究
摘要】本文介绍了钛合金材料基本特性,并着重从零件加工方面介绍了钛合金
TC4切削加工的特点、加工技巧以及加工过程中的注意事项。

【关键词】钛合金加工化学
中图分类号：TH161文献标识码：Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2020）07-051-02
前言
近些年，随着军用装备的研发与制造不断向着轻便、灵活方向发展，为了满
足战斗装备对战斗性能要求，除了采用先进的设计技术外，还必须采用性能优良
的材料以及先进的工艺制造技术，其中提高钛合金零件的选用、提高先进钛合金
应用水平也是措施之一。

钛合金TC4材料具有强度高、热强度高、抗蚀性好、低
温性能好、化学活性大、导热弹性小等优点，故近年来随着航空航天的飞速发展，钛合金TC4零件在航空航天领域的使用范围逐年增长，所占比例逐渐增大。

但
TC4的切削性能较差，影响TC4零件的加工质量和效率。

一、钛合金TC4材料加工特性分析
通过对8个批次（1000件）TC4材料的零件加工研究，掌握钛合金TC4的加
工性较差的主要表现为：切削刀具寿命短；切削过程温度高；同等面积相对切削
力大；易出现冷硬现象。

并针对其特点进行了原因分析：
(1)切削刀具寿命短：
由于钛合金TC4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,尤其在车削钛合金TC4时，有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重。

若TC4原材料毛坯经过模锻、自由锻、冲压等
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TC4加工中最困难的工序。

另外钛合金TC4材料的导热系数低。

切屑面与
前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削变形区和切削刃
附近的较小范围内，加工时切削刃刃口处会产生极高的切削温度，也会大大缩短
刀具寿命。

(2)切削过程温度高：
由于钛合金TC4的导热系数很小，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，切削温度可比切削不锈钢时高出一倍以上。

(3) 同等面积相对切削力大：
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TC4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) 易出现冷硬现象：
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TC4时的一个很重要
特点。

二、钛合金TC4切削过程中注意事项：
通过对TC4材料零件的加工特性研究，针对其加工特点，制定加工过程中注意事项。

(1) 一般情况下切削加工钛合金TC4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，除大量浇注切削油进行冷却之外，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。

(2) 由于钛合金TC4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，必要时增加辅助支承。

(3) 切削过程中避免使用含氯化物的切削油，因切削油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，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TC4零件接触，铜、锡、镉及其合金也同样禁止使用。

(5)与钛合金TC4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TC4零件，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) 切削过程中避免使用含氢的切削油，因切削过程中使用含氢的切削油时，切削过程中在高温下会分解释放出氢气，被钛吸收后引起氢脆；也可能引起钛合金TC4高温应力腐蚀开裂。

以上就是钛合金TC4切削工艺的注意事项，制定严谨的工艺流程操作方案有利于提高生产效率和产品质量，减少安全隐患，降低企业的综合生产成本。

三、针对钛合金TC4材料零件的加工特点，制定一些加工技巧，能有效提高零件加工效率和加工质量。

(1) 采用正角型几何形状的刀片，以减少切削力、切削热和工件的变形。

(2) 保持恒定的进给以避免工件的硬化，在切削过程中刀具要始终处于进给状态，尤其铣削时径向吃刀量为半径的1/3。

(3) 采用高压大流量切削液，以保证加工过程的热稳定性，防止因温度过高导致工件表面变性和刀具损坏。

(4) 保持刀片刃口锋利，钝的刀具是热集结和磨损的原因，容易导致刀具失效。

(5) 尽可能在零件最软的状态加工，因为淬硬后材料变得更难加工，热处理提高了材料的强度并增加刀片的磨损。

(6) 使用大的刀尖圆弧半径或倒角切入，尽可能把更多的刀刃进入切削。

这可以减少每一点的切削力和热量，防止局部破损。

在切削钛合金TC4时，各切削参数中切削速度对刀具寿命的影响最大，径向吃刀量（切削深度）次之。

（7）热传导系数低。

加工时热量在工件局部表面堆积，很容易使刀具温度过高造成“烧刀”，则要求刀具质量好，而且切削线速度要低（低转速，低进给）。

刀具最好是钛合金TC4专用刀具，如果没有也可以用硬质合金刀具，硬度越高越好，建议50度以上。

因为刀具硬度越高质地越紧密，传热效果越好，而且尽量不要用涂层刀具，钛合金TC4材料会和涂层里
的钛发生“亲和”反应，造成“粘刀”。

（8）粗加工时，余量留得越少越好。

钛合金TC4密度低，硬度低，材料很棉，容易“让刀”。

粗加工时只会发生“切削不到位”的情况，而不会发生“过切”。

为了避免“让刀”尺寸不到位，而反复加工，余量尽量少留，以提高加工效率。

（9）加工时做好冷却措施，不可干切。

小微量切削的精加工时更要注意。

颗粒度很小的钛合金TC4碎屑，在二百多度左右会“燃烧”。

结束语
通过对钛合金TC4零件的实际加工生产，查找难加工的原因，并针对原因进行了改进，改进后提高了零件的加工精度，提高了加工效率并很好的保证了零件加工质量，经济效益十分明显。

本文所介绍的是针对钛合金TC4类零件所采取的加工工艺研究和注意事项及加工技巧，具备一定普遍性，希望能对其它钛合金零件的加工起到一定的借鉴作用。

参考文献：
[1]先进航空钛合金材料与应用黄旭主编
[2]钛合金切削加工技术张春江主编
[3]航空航天用先进材料李红英主编。