钛合金加工工艺技术的探索

姚琦

摘  要：我国经济正处于快速发展的重要阶段，也让我国工业生产逐渐达到世界领先水平。材料应用是未来我国工业升级的关键内容，比如拥有高强度、强抗腐蚀性能的钛合金，是例如飞机、发动机等精密设备的最佳制造材料。但是其也拥有热传导系数较小、比热低等特性，在加工制造方面要比其他材料更为困难。本文简要分析钛合金特性，从多个角度研究钛合金加工工艺，旨在为我国工业进一步发展贡献力量，推动我国经济健康发展。

关键词：钛合金;加工工艺;技术研究

前言：

国家发展水平受到工业生产影响，而工业生产又离不开材料应用，可以预见未来全球工业发展突破口将是材料的开发利用。我国整体工业生产水平达到世界平均水平，甚至某些领域已是世界领先水平，可以在一些领域仍落后于世界平均水平，例如钛合金加工。为让我国工业得到进一步发展，有必要对钛合金加工展开系统性分析。

1钛合金特性

1.1强度高

相较于普通钢材，钛合金密度偏低，而拥有更高纯度的工业纯钛的密度更低。所以，钛合金和工业生产常见的金属材料相比较，拥有更大的强度大，同时密度较低，材料质量偏轻，在工业生产中多以利用钛合金特性生产拥有较高点强度、良好刚性、质量较轻的金属板或金属管等工件，应用在飞机、高性能发动机等设备生产中。

1.2热强度高

钛合金拥有较高的热强度。相较于工业生产常见的铝合金，钛合金拥有更高的使用温度。在450℃～500℃的高温条件下，钛合金依旧可以保持各种金属特性，但是在生产温度提升至150℃，铝合金强度已经发生明显变化，极限温度仅有200℃，温度超过极限温度，铝合金将无法保持原有形态。部分钛合金极限温度为550℃，极少数钛合金的理论极限温度可达700℃，远超过同类金属材料，拥有更为广泛的适用性[1]。

1.3低温条件下保持力学性能

即使环境温度偏低，钛合金仍然可以保持正常力学性能。部分退火钛合金可以在-195.5℃条件下拥有良好的延性与断裂韧性，例如间隙元素含量偏低的Ti-5AI-2.5Sn，即便在-252.7℃條件下仍可以正常使用。正因为钛合金可以在低温条件下拥有稳定的力学性能，被广泛应用在航空航天领域。

1.4拥有良好的耐腐蚀性

不锈钢可以在潮湿环境中保持良好的耐腐蚀能力，而钛合金的耐腐蚀性能远超过不锈钢。如果遇到例如酸蚀碱、硝酸等化学试剂，钛合金也可以维持设备的正常运行。

1.5较高的化学活性

钛拥有较高的化学活性，可以和空气中的氧、氢、一氧化碳等物质发生化学反应，生成其他物质，改变钛合金性质。例如在环境碳含量超过0.2%，会在钛表面发生化学反应，产生质地偏硬的TiC;如果环境温度偏高，空气中氮和钛发生化学反应，生成TiN;如果环境温度超过600℃，并与空气直接接触，钛也会和空气中的氧发生化学反应，并与表面生成硬化层。

2钛合金加工应遵守的几项原则

2.1选择硬质合金刀具对钛合金加工

在对钛合金作低速切断时，首选钨钴类硬质合金刀具;如果是一些加工温度高、工艺复杂加工条件，则替换成拥有高温性能的刀具，例如立方氮化硼（cubicboronnitride，CBN）刀具，避免刀具在高温条件下失去原有性能，丧失加工能力[2]。

2.2保证拥有合适的接触长度

加工刀具要保证前角小、后角大，让钛合金的切屑可以和前刀面拥有较长的接触长度，以此控制工件过度摩擦后刀面的影响，保证刀具使用寿命。可以将刀尖设计为圆弧过渡刃，让刀刃可以在加工期间保持良好锋利度，让切屑可以顺利排出，避免让加工产生的粘屑影响刀刃完整度。在对钛合金加工处理时，需要严格控制切削速度，低速切削即可。避免在刀尖处产生过高的切削温度。而且，钛合金的进给量也需要严格控制，规避过度损耗加工刀具。

2.3在加工期间注意钛合金的冷却处理

在加工钛合金期间，需要通过添加冷却液方式，对加工部分进行冷却处理。因为在加工钛合金时，刀具会受到偏大阻抗力影响，所以会在刀尖和钛合金接触的部位产生较大的热量，极容易影响刀具正常使用。冷却液可以降低加工热量，保证刀具的使用寿命，降低对刀具造成的额外损伤。

3钛合金加工工艺技术分析

3.1车削

作为钛合金常见的加工工艺，钛合金不具有良好的热传导性，是车削加工最大问题。在车削钛合金过程中，会生成大量高温，这些高温并不会被钛合金吸收，所以让切削刃和切屑获得良好化学反应条件，在切削刃上生成其他产物，再进行车削就容易造成刀具磨损。如果可以控制切屑厚度偏薄，车削生成的热量会明显降低，也可以适当提升车削加工速度。所以，可以刀具、切削参数等方面做适当调整：以钛合金加工条件为准，选择YG6，YG8等作为刀具材料，同时要保证刀具的前后角符合车削加工需求，对于刀尖做磨圆处理[3]。在车削过程中，要保证加工速度偏低，并要注意钛合金的进给量保持适中，对车削要拥有较大的深度，车削部位也要做好充分冷却，确保钛合金车削部分不会残留过多热量，保证车削效果。

3.2铣削

相较于车削，对钛合金做铣削加工难度更大。在加工期间需要严格注意铣削加工的断续切削，避免铣削生成的切屑大量粘黏在刀刃上，造成刀刃偏离原铣削轨迹，造成崩刃。而出现崩刃后，会影响刀具的正常使用，降低刀具使用寿命，提高钛合金加工。为避免在钛合金铣削加工期间出现相似问题，可以从以下几个方面入手，合理优化铣削工艺：第一、作为铣削常见方法，顺铣需要使用优质刀具，建议选择高速钢，而且要保证在铣削过程中，工件要始终保持加紧状态;第二、逆铣加工产生的切屑厚度是从薄到厚，拥有一定厚度变化。这是因为在刚进行逆铣时，刀具会和工件产生干摩擦，生成大量粘屑。如果粘屑附着于刀具表面，会导致刀尖厚度增加，产生更多的厚切屑，也更容易出现刀具崩刃。所以，在钛合金铣削加工时，需要保证切削液的正常供给，避免让刀具长时间处于干摩擦，影响刀具正常使用。B8DB1989-432E-4534-9651-7DDC738404FD

3.3磨削

钛合金多会制作成钛合金板或钛合金管，而对工件进行磨削加工可以发现一个常见问题，在磨削期间，生成的粘屑会附着在砂轮表面，造成砂轮堵塞，进而对工件表面造成不同程度的烧伤。出现这种现象是因为钛合金不具有良好的导热性能，在磨削加工过程中生成的高温难以被工件充分吸收，让磨削部位逐渐积累过高温度。在这种情况下，切削刃和磨料更容易产生化学反应，让刀具出现磨损，影响钛合金的磨削效果。同时，磨削期间产生的热量也会有扩散趋势，在磨削部分出现的化学反应会加剧热量对工件的影响，从而让工件表面出现烧伤，影响工件后续使用。如果是对钛合金铸件进行磨削加工，烧伤问题会更为明显。建议使用绿碳化硅T作为砂轮材料，并且将砂轮的硬度控制在ZR1，保证砂轮拥有60粒度，让砂轮保持低速状态，钛合金的给进量也要适当降低[4]。在磨削期间要通过乳化液，对磨削部位做有效冷却，让磨削产生的温度可以被乳化液带走，避免出现热量集聚，以此控制工件表面的化学反应，起到保护刀具与工件效果。

3.4钻削

钻削是钛合金加工较为困难的工艺。因为钻削会让钻头刀刃在短时间内产生过度磨损，如果不做好排屑工作，或者对于钻头刀刃的冷却不及时，极容易出现烧刀、断刀等损伤刀具现象。面对烧刀、断刀问题，可以在钻削钛合金过程中，做好以下几点：第一、钻削刀具材料建议使用高速钢M42或者硬质合金，保证钛合金的钻削质量;第二、钻头刃磨要增加顶角，而在钻头的外缘则要降低前角，同时增加后角;第三、钻削过程中要做到勤退刀，同时将加工生成的切屑及时用吹风等方式清除，避免切屑在高温条件下，与空气中其他物质发生化学反应，影响钛合金后续加工;第四、如果在钻削加工期间，发现切屑形状出现变化，或者切屑颜色变化，即证明钻头已经变钝，要立即停止当前加工程序，对于钻头刃磨进行更换，并向加工设备中注入足量的切削液，才能再继续对钛合金进行钻削加工。

结论：本文内容虽然具有一定的参考价值，但是在应用中仍需要以工业生产产品、应用领域等实际需求为准，合理吸收本文理论知识，强化实践生产水平。如果可以寻找有效方法，克服钛合金加工遇到的各类问题，会让我国工业生产得到飞速提升，促进我国经济健康发展，稳定提高综合国力。

参考文献

[1]李维亮，周良明，唐林.钛合金典型特征加工工艺方案设计[J].机床与液压，2019，47（22）：126-129.

[2]吴春亚，陈明君，王广洲，等.钛合金加工用立铣刀的参数化建模研究[J].航空精密制造技术，2020，56（01）：1-4.

[3]李雅青，赵培轶，姜彬，等.铣削钛合金加工表面形貌特征參数的预测[J].工具技术，2020，54（01）：41-46.

[4]孙小峰，初铭强，明伟伟，等.3D打印钛合金构件和钛合金锻件铣削加工性能对比研究[J].工具技术，2019，53（02）：39-42.B8DB1989-432E-4534-9651-7DDC738404FD