钛合金难加工的四大原因

宝鸡钛产业研究院  2023-07-04

钛合金难加工的四大原因    钛合金材具有高强度、高硬度和低密度材料特性，如钛合金 Ti-6Al-4V （简称 Ti-6-4 ）抗拉强度达 900MPa ，硬度为 250 ～375HB ，密度 4.42 g/cm3 ，使得钛合金材整体结构件除在现代军用飞机上得到广泛应用外， 在现代大型客机上也得到了越来越多的应用， 其用材重量占飞机结构总重量百比数呈现快速上升趋势， 并已开始超过了钢结构件。因此， 实现钛合金材结构件高效率切削加工已成为大型飞机制造生产之关键。然而， 和铝合金材相比， 钛合金材属很难加工金属材，主要表现在如下若干方面：

    01导热率低是钛合金难加工的主要因素之一

    钛合金加工时的切削力只是略高于同等硬度的钢，但是加工钛合金的物理现象比加工钢要复杂得多，从而使钛合金加工面临巨大的困难。

    大多数的钛合金的热导率很低，只有钢的1/7，铝的1/16。因此，在切削钛合金过程中产生的热量不会迅速传递给工件或被切屑带走，而集聚在切削区域，所产生的温度可高达1 000℃以上，使刀具的刃口迅速磨损、崩裂和生成积屑瘤，快速出现磨损的刀刃，又使切削区域产生更多的热量，进一步缩短刀具的寿命。

    切削过程中产生的高温同时破坏了钛合金零件的表面完整性，导致零件几何精度下降和出现严重减少其疲劳强度的加工硬化现象。

    钛合金的弹性对零件性能来说可能是有益的，但是在切削过程中，工件的弹性变形是产生振动的重要原因。切削压力使“弹性”的工件离开刀具和反弹，从而使刀具与工件之间摩擦现象大于切削作用。摩擦过程也会产生热，加重了钛合金导热性不良问题。

    加工薄壁或环形等易变形零件时，这个问题就更加严重，将钛合金薄壁零件加工到预期的尺寸精度不是一件容易的事。因为随着工件材料被刀具推开时，薄壁的局部变形已经超出弹性范围而产生塑性变形，切削点的材料强度和硬度明显增加。此时，按照原先确定的切削速度加工就变得过高，进一步导致刀具急剧磨损。

    02加工钛合金的工艺诀窍

    在理解钛合金加工机理的基础上，加上以往的经验，加工钛合金的主要工艺诀窍如下：

    (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，铣削时径向吃刀量a e应为半径的30%。

    (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) 尽可能在钛合金最软的状态加工，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。在铣削钛合金时，各切削参数中切削速度对刀具寿命vc的影响最大，径向吃刀量（铣削深度）ae次之。

    03从刀片入手解决钛加工难题

    钛合金加工时出现的刀片沟槽磨损是后面和前面在沿切削深度方向上的局部磨损，它往往是由于前期加工留下的硬化层所造成的。刀具与工件材料在加工温度超过800℃的化学反应和扩散，也是形成沟槽磨损的原因之一。

    因为在加工过程中，工件的钛分子在刀片的前面积聚，在高压高温下“焊接”到刀刃上，形成积屑瘤。当积屑瘤从刀刃上剥离时，将刀片的硬质合金涂层带走，因此，钛合金加工需要特殊的刀片材料和几何形状。

    04适合钛加工的刀具结构

    钛合金加工的焦点是热，大量高压切削液要及时准确地喷射到切削刃上，才能够快速地将热量移除。市场上有专门用于钛合金加工的铣刀独特结构。