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摘要：近年来，对汽车和飞机零件高强度化和轻量化的要求越来越高。因此，这些零件所使用材料中的钛、镍合金等也在不断增加。这种材料一般称为切削加工性差的“难切削材料”。加工此类材料的切削刀具也必须能够适应难切削材料特有的加工条件和加工方法。飞机机身部件以及喷气发动机的压缩机零部件越来越多地采用了钛合金。在波音公司最新型的B787-8喷气客机中，每架飞机的钛合金使用量已增加到10吨左右。

关键字：航空航天  钛合金  加工工艺 材料  飞机

       近年来，对汽车和飞机零件高强度化和轻量化的要求越来越高。因此，这些零件所使用材料中的钛、镍合金等也在不断增加。这种材料一般称为切削加工性差的“难切削材料”。加工此类材料的切削刀具也必须能够适应难切削材料特有的加工条件和加工方法。飞机机身部件以及喷气发动机的压缩机零部件越来越多地采用了钛合金。在波音公司最新型的B787-8喷气客机中，每架飞机的钛合金使用量已增加到10吨左右。目前，金属钛生产的工业方法是可劳尔法，产品为海绵钛。制取钛材传统的工艺是将海绵钛经熔铸成锭，再加工而成钛材。

       钛采用塑性加工，加土尺寸不受限制，又能够大批量生产，但成材率低，加工过程中产生大量废屑残料。

       针对钛塑性加工的上述缺点，近年来发展了钛的粉末冶金工艺。钛的粉末冶金流程与普通粉末冶金相同，只是烧结必须要在真空下进行。它适用乎生产大批量、小尺寸的零件，特别适用于生产复杂的零部件。这种方法几乎无须再经过加工处理，成材率高，既可充分利用钛废料作原料，又可以降低生产成本，但不能生产大尺寸的钛件。钛合金即在工业纯钛中加入合金元素，以提高钛的强度。钛合金可分三种：a钛合金，b钛合金和a＋b钛合金。a b钛合金是由a和b双相组成，这类合金组织稳定，高温变形性能、韧性、塑性较好，能进行淬火、时效处理，使合金强化。钛合金的性能特点主要表现在：

1) 比强度高。钛合金密度小(4.4kg/dm3)重量轻，但其比强度却大于超高强度钢。

2) 热强性高。钛合金的热稳定性好，在300～500℃条件下，其强度约比铝合金高10倍。

3) 化学活性大。钛可与空气中的氧、氮、一氧化碳、水蒸气等物质产生强烈的化学反应，在表面形成TiC及TiN硬化层。

       导热性差。钛合金导热性差，钛合金TC4在200℃时的热导率l=16.8W/m·℃，导热系数是0.036卡/厘米·秒·℃。

1.刀具材料的选择

       刀具材料选用应满足下列要求：

1）足够的硬度。刀具的硬度必须要远大于钛合金硬度。

2）足够的强度和韧性。由于刀具切削钛合金时承受很大的扭矩和切削力，因此必须有足够的强度和韧性。

3）足够的耐磨性。由于钛合金韧性好，加工时切削刃要锋利，因此刀具材料必须有足够的抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。这是选择加工钛合金刀具最重要的参数。

4）刀具材料与钛合金亲合能力要差。由于钛合金化学活性高，因此要避免刀具材料和钛合金形成溶敷、扩散而成合金，造成粘刀、烧刀现象。

2.精度、条件和正确的切削参数

       经过对国内常用刀具材料和国外刀具材料进行试验表明，采用高钴刀具效果理想，钴的主要作用能加强二次硬化效果，提高红硬性和热处理后的硬度，同时具有较高的韧性、耐磨性、良好的散热性。

铣刀的几何参数

       钛合金的加工特性决定刀具的几何参数与普通刀具存在着较大区别。

       螺旋角β 选择较小的螺旋升角，排屑槽增大，排屑轻易，散热快，同时也减小切削加工过程中的切削抗力。

       前角γ 切削时刃口锋利，切削轻快，避免钛合金产生过多切削热，从而避免产生二次硬化。

       后角α 减小刀刃的磨损速度，有利于散热，耐用度也得到很大程度的提高。

切削参数选择

       钛合金机加工应选择较低的切削速度，适当大的进给量，合理的切深和精加工量，冷却要充分。

       切削速度Vc Vc=30～50m/min

       进给量f 粗加工时取较大进给量，精加工和半精加工取适中的进给量。

       切削深度ap ap=1/3d为宜，钛合金亲合力好，排屑困难，切削深度太大，会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现象。

       精加工余量αc适中钛合金表面硬化层约0.1~0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化层上，刀具轻易磨损，应该避免硬化层加工，但切削余量不宜过大。

3.钛合金的加工方法

       （1） 将刀尖温升控制到最小程度

①切削速度不宜过高（40～60m/min）

切削速度过高会产生大量切削热，导致刀具寿命降低，因此应避免采用过高的切削速度。

②缩短刀具与工件的接触时间

       刀具与工件接触时间越长，产生的热量就越多，会导致刀具寿命降低。而刀具直径越大，接触时间就越长，因此在允许的范围内，应尽可能使用小直径刀具。

③不宜加大切削宽度

       切削宽度越大，接触时间越长，会增加发热量。因此，加工时不宜加大切削宽度，而通过增加切削长度来提高加工效率。使用长刃刀具等对于粗加工很有效。切削宽度小的台肩铣削能减少切削热，使提高切削速度成为可能。

④使用45°主偏角刀具

       只要工件形状允许，应尽可能使用45°主偏角的刀具，以减薄切屑，延长刀具寿命。

⑤充分使用切削液，提高冷却效果

       充分使用切削液，尤其是15MPa以上的超高压切削液，以降低刀尖温度、改善切屑处理效果、防止产生积屑瘤。从而能够提高切削速度和生产率。

（2）提高刀具刚性

       通过缩短刀具悬伸长度、增大刀具直径，可提高刀具刚性、减小刀具挠曲度。在因工件形状必须采用较大悬伸量的场合，应用插铣加工也很有效。

（3）锯齿切削刃刀具的使用

       由于锯齿切削刃可减小接触宽度，从而可减少热量的产生。此外，切削液可从锯齿之间到达被切削面，因此锯齿切削刃刀具对钛合金的加工十分有效。

       钛的各种属性使之成为具有强大吸引力的零件材料，但其中许多属性同时也影响着它的可加工性。钛具备优良的强度-重量比，其密度通常仅为钢的60%。钛的弹性系数比钢低，因此质地更坚硬，挠曲度更好。钛的耐侵蚀性也优于不锈钢，而且导热性低。这些属性意味着钛金属在加工过程中会产生较高和较集中的切削力。它容易产生振动而导致切削时出现震颤；并且，它在切削时还容易与切削刀具材料发生反应，从而加剧月牙洼磨损。此外，它的导热性差，由于热主要集中在切削区，因此加工钛金属的刀具必须具备高热硬度。

4.稳定性是成功的关键所在

       某些机加工车间发现钛金属难以有效加工，但这种观点并不代表现代加工方法和刀具的发展趋势。之所以困难，部分是因为钛金属加工是新兴工艺，缺少可借鉴的经验。此外，困难通常与期望值及操作者的经验相关，特别是有些人已经习惯了铸铁或低合金钢等材料的加工方式，这些材料的加工要求一般很低。相比之下，加工钛金属似乎更困难些，因为加工时不能采用同样的刀具和相同的速率，并且刀具的寿命也不同。即便与某些不锈钢相比，钛金属加工的难度也仍然要高。我们固然可以说，加工钛金属必须采取不同的切削速度和进给量以及一定的预防措施。其实与大多数材料相比，钛金属也是一种完全可直接加工的材料。只要钛工件稳定，装夹牢固，机床的选择正确，动力合适，工况良好，并且配备具有较短刀具悬伸的ISO50主轴，则所有问题都会迎刃而解——只要切削刀具正确的话。

5.必须考虑振动和热

       非理想环境还包含其它因素，其中之一就是，大多数机床目前装配的是IS040主轴。如果高强度地使用机床，就无法长时间保持新刀状态。此外，如果零件结构较复杂的话，通常就不易有效夹紧。当然挑战还不止于此，切削工序有时必须用于全槽铣、侧削或轮廓铣削，所有这些都有可能(但并非必定)产生振动及形成较差的切削条件。重要的是，在设定机床时，必须始终注意提高稳定性以避免振动趋势。振动会造成刀刃崩碎、刀片损坏并产生不可预见和不一致的结果。一种改进措施便是采用多级夹紧，使零件更靠近主轴以有助于抵消振动。

       钛合金的优点：①重量轻；②比强度高；③耐金属疲劳；④化学性能稳定。

       钛合金的缺点：①切削加工性差；②温度超过400℃则强度降低（因此用于发动机的低温部分）。

       钛和钛合金塑性加工具有变形抗力大；常温塑性差、屈服极限和强度极限比值高、回弹大、对缺口敏感、变形过程易与模具粘结、加热时又易吸咐有害气等特点，塑性加工较钢、铜困难。

       故钛和钛合金的加工工艺必须考虑它们的这些特点。

 参考文献：

[1]  赵伟 钛合金告诉插铣动力学研究及优化设计 2007

[2]  李佳音 超声波扩散焊接工艺研究 2009

[3]  李士民 铼与钛合金的电子束焊接术梯度研究 2005

[4]  韩涛 TA15钛合金结构件激光快速成型应用研究技术 2006

[5]  杨勇 钛合金整体航空结构件销铣加工变形的预测理论与研究方法 2008

[6]  吴文学 等温精密模锻钛合金结构件的技术要素 2007