钛合金可切削性的研究及加工刀具设

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内容摘要:1.引言钛及钛合金不仅是制造飞机、导弹、火箭等航天器的重要结构材料，而且在机械工程、海洋工程、生物工程及化学工程中的应用也日益广泛。在钛中加入合金元素形成钛合金，其强度显著提高,σb可从350～700MPa提高到1200MPa，因此在工业上应用钛合金的意义更具重要性。通常按使用状态下的组织将钛合金分为α钛合金(以TA表示)、β钛合金和(α+β)钛合金(以TC表示)三类，三种钛合金中最常用的是α钛合金和(α+β)钛合金。由于钛合金可切削性极差，因此给实际应用带来很多困难。

1.引言

钛及钛合金不仅是制造飞机、导弹、火箭等航天器的重要结构材料，而且在机械工程、海洋工程、生物工程及化学工程中的应用也日益广泛。如在阀门制造中，将不锈钢阀门与钛制阀门同时在酸性介质中使用，钛制阀门具有更好的使用寿命。

在钛中加入合金元素形成钛合金，其强度显著提高,σb可从350～700MPa提高到1200MPa，因此在工业上应用钛合金的意义更具重要性。通常按使用状态下的组织将钛合金分为α钛合金(以TA表示)、β钛合金和(α+β)钛合金(以TC表示)三类，三种钛合金中最常用的是α钛合金和(α+β)钛合金。由于钛合金可切削性极差，因此给实际应用带来很多困难。笔者从钛合金的相对可切削性研究出发，根据多年生产经验提出较实用的刀具，供读者应用时参考。

2.钛合金可切削性的研究

若以45号钢的可切削性为100%，则钛合金的可切削性约为20～40%，其可切削性比不锈钢差，但比高温合金稍好。在钛合金中又按β型钛合金、α+β型钛合金、α型钛合金为序其可切削性逐步改善，而纯钛的可切削性最好。即在一般情况下，材料硬度愈高，加入合金元素越多，材料的可切削性越差。加工钛合金时，若材料硬度小于HB 300将会出现强烈粘刀现象，而硬度大于HB370时加工又极其困难，因此最好使钛合金材料的硬度在HB300～370之间。

2.1 钛合金切削机理的研究

(1)气体杂质的影响

各种气体杂质对于钛合金的可切削性有很大影响，其中最显著的是氧、氢和氮；钛合金的可切削性随着气体在钛合金中的含量增加而恶化。

钛元素的化学活泼性高，具有很强的亲和力，很容易与接触的杂质化合，钛在600℃以上能与大气中的氧起作用，超过650℃时，随温度的提高而作用增强。在表面出现氧化皮的同时，氧还向钛中扩散；在同素异构转变温度(882.5℃)以上，氧在钛中扩散特别强烈，以至形成脆化层，且其脆化层厚度随时间的增加而增大，即产生所谓“组织α化层”。这是钛被氧玷污而引起的额外硬化，钛中含氧量愈多，硬化愈甚。氢在钛中随温度的增加而出现的氧化能力，其扩散极其强烈，并形成间隙固溶体，产生氢脆性。在室温下氮对钛没有影响，高温时氮与钛强烈化合，形成硬而脆的氮化钛(TiN)。

可以看出，在钛合金中，气体杂质氧、氢、氮都可使钛合金脆化，这些杂质还具有磨料性质，在加工钛合金时能加速刀具的磨损；在锻压和冲压后还可形成比原来材料硬度高得多的硬皮和氧化皮。所有这些，在很大程度上恶化了钛及钛合金的可切削性。

(2)材料性能的影响

从可切削性的观点出发，钛的各种物理——机械性能是很不利于切削的组合，因为每一种性能的存在都加重了另一种性能所引起的切削困难。

钛合金塑性小，因而极其显著地影响其切削时的塑性变形。如果用切屑的收缩表示被切削层的变形，则钛合金切屑的收缩系数等于1(甚至小于1)，而普通碳钢切屑的收缩系数ψ约等于3，钛合金较小的ψ值使切屑经主切削刃切离后，立即向上翻卷，使切屑与刀具前刀面间仅有一极小的接触面积(约为钢材的1/3)，从而使作用在车刀接触面积上的压力和局部温度增高；由于钛合金有很高的强度极限，故造成接触面积上受到的压力和局部温度更高；再加上钛合金的热导率很低(仅为铁的1/5、铝的1/10，TC8热导率λ=7.955W/mk)，极大地限制了刀尖的冷却条件；此外，高度活泼的金属钛还容易和刀具化合产生焊接和粘剥。由于上述性能的综合，在同样的切削用量下，加工钛合金时刀具单位面积所承受的切削力要比加工一般钢材时大得多，切削温度也高得多，因此使刀具磨损很快，材料的可切削性恶化。

(3)含碳量的影响

钛合金的可切削性与含碳量有关。当含碳量大于0.20%时，合金中会形成硬的碳化物，使可切削性下降；而含碳量小于0.20%时，可切削性得到改善。

(4)加工硬化的影响

加工硬化被认为是钛合金加工困难的原因之一。为了确定它的影响程度，我们进行了试验，结果表明在任何加工情况下，钛的加工硬化程度都远小于不锈钢，也小于其它种类容易硬化的钢。

钛合金严重的硬化是在切削加工中所产生的局部高温使钛很容易吸收大气中的氧和氮形成又硬又脆的外皮而造成的。在正常切削条件下，其硬化深度为0.1～0.15mm，硬化程度为20%～30%。

2.2 钛合金相对可切削性切削条件的研究

(1)刀具材料

加工钛合金时，不宜使用YT类硬质合金刀片。因为：①YT类硬质合金刀片中含有钛，它会与被加工的钛合金发生亲和作用，粘掉刀尖。②车削钛合金时，车刀与切屑的接触远比加工钢时小得多，作用在车刀接触面积上的单位切削刀较大，由于YT类硬质合金刀片较脆，因此容易崩刃。

一般生产中采用YG类刀片加工钛合金，尽管其耐磨性较差。通常在粗车和断续车削时采用YG8刀片，精车和连续车削时用YG3刀片，一般加工则用YG6X刀片。

实践证明，含钽的硬质合金YA6(属于细颗粒钨钴类硬质合金)效果较好，由于加入了少量的稀有元素，提高了刀片耐磨性，代替了原有的YG6X，其抗弯强度、硬度也都比YG6X高。

在低速切削或切削复杂型面时，可采用高钒高速钢(W12Cr4V4Mo)和高钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)刀具，它们是加工钛合金最好的刀具材料，但因钴资源少且价格昂贵，因此应尽可能少用，以保护稀有资源并降低成本。

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