钛合金的切削加工（上）

赵峰

1．钛合金可分为哪几类?
钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：
(1) α钛合金：它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。
(2) β钛合金：它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。
(3) α+β钛合金：它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。
9 t- N; U* o' K4 N( ^三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+p钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。
- t, I+ r* x, ^9 A0 Q8 o2．钛合金有哪些性能和用途？
钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1800℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。
: k3 L; V4 E4 j. u(1)比强度高：钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，见表7-1，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

- s  f$ o  p' Q! h! p& g(2)热强度高：对于α钛合金，在350℃时TA6的巩达422MPa、TA7的σb达491MPa，在500℃时TA8的σb达687MPa；对于α+β钛合金，在400℃时TC4的σb达618MPa、TC10的σb达834 MPa，在450℃时TC6和TC7的σb均达589MPa、TC8的σb达706MPa，在500℃时TC9的σb达785MPa。这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。
: q- R- F: s1 W(3)抗蚀性好：钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
(4)低温性能好：钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。在-100℃和-196℃时TA4的σb分别为893MPa和1207MPa，在-196℃和-253℃时TA7的σb分别为1216MPa和1543MPa、TC1的σb分别为1133MPa和1354MPa、TC4的σb分别为1511MPa和1785MPa。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。
5 C/ B$ |8 e' ]5 ~(5)化学活性大：钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15 mm，硬化程度为20％～30％。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。
  w9 O4 J: t. ]/ j+ x' W" D(6)导热系数小、弹性模量小：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％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。
8 U. B5 I$ t9 J/ M5 E# u# l0 s钛合金的牌号、性能见表7-2。

; ]+ O  E1 a+ q1 P7 i3．钛合金有哪些切削特点？
钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特点：
(1)变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点，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)切削温度高：由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/5～1/7)，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45号钢时高出一倍以上。
- n4 n1 T- w& ]+ W(3)单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小20％，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。
& ~$ w$ Z/ D8 E(4)冷硬现象严重：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，是切削钛合金时的一个很重要特点。
% d. o( u* o$ Y# C(5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，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加工中最困难的工序。另外，由于钛合金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。车削钛合金时，有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重；进给量f0.2 mm/r时，前刀面将出现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时，后刀面的磨损以VBmax10～30 mm时为125°～140°；外刃后角α在do>3～10 mm时为12°～18°，do>10～30 mm时为10°～15°；横刃斜角ψ=45°；内刃前角γτ=-10°～-15°；内刃斜角τ=10°～15°；圆弧刃后角aR=18°～20°。
钛合金群钻的有关参数和钻削用量见表7-8和表7-9。

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* u# m/ L( G! i, n+ p4 s文章关键词： 切削加工