钛合金的切削加工.docx

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钛合金的切削加工

钛合金的切削加工（上）[2009-05-09]关键字：

切削加工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1372～1666MPa；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。

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。

2．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。

（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。

（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834MPa，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。

（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）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0.1～0.15mm，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。

（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。

钛合金的牌号、性能见表7-2。

钛合金的切削加工（下）[2009-05-09]关键字：

切削加工在钻头上做出四条导向刃带，加大钻头截面惯性矩，提高刚性，还自然地形成两条辅助冷却槽，耐用度比标准钻头提高3倍左右，切削温度约降低20％。

同时由于导向稳定减小了孔扩张量，如Ф3mm的四刃带钻头钻孔孔扩张量为0.03～0.04mm，而标准钻头为0.05～0.06mm。

（2）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，见图7-2；当孔径大于30mm时，采用硬质合金BTA钻头或喷吸钻等。

用图7-2所示枪钻钻削TC11的孔，孔深204mm（长径比约为26），可保证表面粗糙度Ra为1.6μm，生产率提高4倍，切屑呈“梅花”形或“C”形碎屑，排屑正常。

用硬质合金枪钻钻长径比大于30的深孔时，在轴向施加小于100Hz的振动进行振动钻孔，可使得工件表面粗糙度Ra为0.3μm，生产率提高5倍。

具体参数为Vc=17m/min，f=0.033min/r，振幅为0.07mm，频率35Hz，工件圆度4μm，表面粗糙度Ra为0.33μm。

（3）选择合适的切削液：

钻浅孔时可选用电解切削液，其成分为癸二酸7％～10％，三乙醇胺7％～10％，甘油7％～10％，硼酸7％～10％，亚硝酸钠3％～5％，其余为水。

钻深孔时不宜选用水基切削液，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。

宜采用N32机油加煤油，其配比为3:

1或3:

2，也可采用硫化切削油。

11．怎样对钛合金进行铰孔？

用高速钢和YG类硬质合金制作的铰刀都可用于钛合金零件上铰孔。

高速钢铰刀主要用于纯钛铰孔，YG类硬质合金铰刀主要用于钛合金铰孔。

钛合金铰刀有直齿铰刀、阶梯铰刀和带刃倾角的阶梯铰刀三种，直齿铰刀铰出的工件孔径最大，阶梯铰刀次之，带刃倾角的阶梯饺刀最小。

阶梯铰刀的第一锥在切削的同时为第二锥起了导向作用，也为第二锥留下了极为稳定的余量，实际上起到了粗铰和精铰的作用；带刃倾角的阶梯铰刀在刃倾角的作用下，提高铰孔过程的平稳性，并使切屑向下排出，不会摩擦、划伤孔壁，因而铰出的孔径精度比阶梯铰刀更高些。

钛合金铰刀的几何参数一般选用前角γ0=0°～5°，硬质合金铰刀取小值；后角α0=10°～15°；切削锥角κr=15°～30°。

阶梯铰刀的第二锥角为15°，刃倾角λs=-15°。

为了加大钛合金铰刀的容屑空间，齿数应少于标准铰刀，齿槽角δ=85°～90°。

各种钛合金铰刀参数见图7-3、图7-4和图7-5。