钛合金零件加工浅谈

钛合金零件加工浅谈

摘要钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。它具有强度高、热强度高、抗蚀性好、低温性能好、化学活性大、导热弹性小等特点，是飞机及发动机理想的制造材料，除此之外钛合金的用途非常多，其密度小、强度大、耐腐蚀的特点，密度大概是不锈钢的一半强度却略高于不锈钢，这点在极限自行车、赛车上的高档零件都有用到，甚至俄罗斯的塞拉级核潜艇耐压壳采用钛合金制造具有低磁性特征和较大潜深，可下潜1000米。但由于其切削加工性差，长期以来在很大程度上制约了它的应用。随着加工工艺技术的发展，近年来，钛合金已经广泛应用于飞机发动机的压气机、整流罩、排气装置及飞机大梁框架结构件的制造。

关键词高强度；切削加工性差；钛清理

前言

钛合金具有高强度而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能好，另外钛合金的工艺性差，切削加工困难，在热加工中非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差，钛合金硬度大于HB350时，由于硬度大切削加工困难，刀具磨损严重，但是硬度小于HB300时则容易出现下屑粘刀现象，降低表面加工质量，也是难以切削[1]。

1 零件分析

1.1 结构分析

该轴承机匣为典型环形钛合金件，为定子结构件，最大外圆为φ519mm，高为51mm，壁厚最小处为7mm，典型分析如下：

（1）大端有40个螺栓孔，由于是结构件大端在两孔之间铣花边去除多于重量。

（2）小端60个螺栓孔。

（3）中间20个减重孔

1.2 加工难点[2]

（1）由于钛合金变形系数小，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）由于钛合金的导热系数很小，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热量不易传出，使得热量存在切削区和切削刃附近比较小的范围内使得局

部温度升高，造成刀具融化零件表面烧伤变色。

（3）零件表面易被污染腐蚀，由于钛合金裸露在空气中在机加车间存在大量其他金属杂质，使得钛合金表面易附着其他材料金属离子，腐蚀表面：

（4）由于钛合金化学活性大，加工过程中又易在局部产生高温，在高温环境下钛与空气中的氧气氮气反应生成硬且脆的氧化膜，此氧化膜不仅能降低零件的疲劳强度，而且会加剧刀具的磨损。

2 加工难点解决方案

2.1 刀具磨损严重解决方案

首先是刀具及加工参数的选用：选用在高温高压下能承受交变载荷，抗磨抗热性很好的硬质合金牌号。实践证明选择具有足够的高温硬度和强度，耐磨性好及导热系数大的细粒硬质合金刀片。立方氮化硼刀片CBN刀片如YG6X、YA6适用于半精加工及精加工，当低速粗加工时，则易选用强度高，耐冲击的YG8或超细硬质合金YG10H。YT类合金不能用于加工钛合金，因为在高温切削过程中这两种材料容易发生亲和作用，使刀片磨损特别严重。参数的选用：车削钛合金时，刀具磨损剧烈的主要原因是切削速度V，因此切削速度一般不宜超过50m/min。断屑车削时，切削速度还要降低。进给一般0.1-0.3mm/r。如进给过大，会使切削温度升高，刀具耐用度下降；进给过小会使很薄的切屑极易氧化燃烧。

2.2 表面烧伤变色解决方案

由于钛导热系数小：约为镍合金的25%铁的20%铝的7%，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数还要下降约50%左，加之钛合金的弹性模量小，加工时切屑表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面剧烈摩擦、黏附、磨损[3]，在此过程中会产生大量热量切屑不能及时带走造成零件表面局部高温表面烧伤变色，除了上述刀具选用方法之外，还要使用相应的冷却液，冷却液不能与别的材料的零件共同使用，冷却液要具备良好的冷却性能、润滑性能、防锈性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀释特点。车床的供液喷嘴应尽可能做到一个喷嘴在道具前部和后部，他们一同冷却刀具和工件。及时将切削产生的热量带走。

2.3 表面易污染的解决方案

由于在机加车间内存在各种金属材料，机加过程产生的废屑很有可能附着到钛合金零件表面，由于钛合金对许多金属元素离子非常敏感，尤其是铁元素（而铁元素又是车间存在最多的元素）。如果不清理干净，零件很快会被腐蚀掉，一般用两种方法：①丙酮或者酒精清洗；②如果丙酮无法清洗干净的话，说明这个污染是强力附着的，或者是由于高温原因产生的，需要用酸洗，一般使用含有10%～30%的硝酸0.4%～4%的氢氟酸的溶液进行酸洗就可以。

3 结束语

通过此任务的展开，对钛合金的材料特性、机加过程存在的问题、加工难点等做出了简单的分析并真對加工难点根据实践经验提供了较为详细的解决方案，在钛合金零件冷加工方面取得了一定的加工经验。

参考文献

[1] 宣安光.现代制造技术与数控加工设备的发展[J].杭州机械，2000，（3）：2-6.

[2] 陈本柱.航空发动机冷加工工艺的现状与发展[J].航空制造技术，1995，（2）：33-36.

[3]《航空制造工程手册》总编委员会.航空制造工程手册：发动机机械加工[M].北京：航空工业出版社，1997：34.