鈦合金鍛件鈦合金棒加工方法的多樣性

1、引言

鈦合金被認為是“質輕、高強、耐熱”材料的典型 代表，它的強度高于鋼，密度僅為其60%,并可長期 服役于300 °C?350 °C的溫度環(huán)境，加之不同型號鈦合金展現出的在成形和焊接等方面的特點，使鈦合金 廣泛應用于工程領域，最具代表的是航天航空領域。

2、鈦合金切削、磨削加工存在的主要問題

鈦合金材料主要有下列幾個磨削特點：

(1)磨削比低，砂輪粘附嚴重。觀察單顆磨粒磨 削鈦合金的磨粒頂端或磨削鈦合金的砂輪表面，鈦呈 云霧狀遍布粘附于磨粒頂部，幾乎看不到磨粒。由于 粘附物與鈦合金磨削表面還要再接觸，在磨削力作用 下，導致砂輪磨損嚴重，磨耗比下降。

(2)磨削力大，磨削溫度高。通過對單顆磨粒磨 削實驗分析發(fā)現，鈦合金磨削時，滑擦過程所占的比 重較大，而磨粒與工件的接觸時間極短，在此極短的 時間內產生強烈摩擦和急劇的彈、塑性變形，最后鈦 合金才被切去而成為磨屑，產生大量的磨熱，磨削溫 度高達1000C?1500C。另外磨削鈦合金粘附嚴 重，變形劇烈，鈦合金鋼的導熱性又很差。因此，磨削 力大，磨削溫度高，法向磨削分力比磨削45號鋼大數倍，切向磨削分力大近一倍,磨削溫度也高近一倍。

(3)磨削過程中變形復雜形成層疊狀擠裂切屑。

(4)化學活性高，表面易生成硬脆性變質層。鈦 及鈦合金高溫時化學活性很高，生成TO、TiN、TiH 等脆硬層，降低了塑性。這樣，一方面使得切削呈現 擠裂屑，另一方面使得加工表面層產生局部應力集 中，降低了疲勞強度。

(5)磨削質量不易控制。磨削鈦合金時，產生的 拉應力和表面污染層，以及磨削區(qū)70% ~80%的磨 削熱傳入工件不易導出，使工件產生變形、燒傷和裂 紋，表面粗糙度也難保證。

(6)裝夾變形。鈦合金屬于有色金屬，不能磁化。 采用機械裝卡會使板狀型工件產生較大裝卡變形，磨 削時可使用真空吸盤進行裝卡，工件變形較小。

3、金剛石砂帶磨削法

鈦合金的密度小、強度高，擁有良好的耐熱性和 耐腐蝕性，是制造航空發(fā)動機葉片、整體葉盤的重要材料之一。由于鈦合金具有導熱系數低、彈性模量 小、化學親和性大等特點，是一種典型的難加工材 料［-3］。航空發(fā)動機葉片剛性差，精密磨削難度極大。 砂帶磨削適應性強、工藝靈活性好，現在已經逐漸成 為航發(fā)鈦合金葉片精密磨削及拋光有效手段［45］。但 是，在航空發(fā)動機葉片磨削過程中的砂帶磨損使得葉 片的磨削質量和產品一致性難以保證，嚴重影響航空 發(fā)動機的服役性能。

金剛石砂帶是一種新型超硬材料涂附磨具，耐磨 性好，在航空航天領域具有廣闊的應用前，已經開始 用于航空發(fā)動機葉片的精密磨削加工中。 但目前關 于航空發(fā)動機鈦合金葉片磨削過程中的金剛石砂帶 磨損的研究非常少，因此研究鈦合金金剛石砂帶磨削 磨粒磨損具有十分重要的意義。針對金剛石工具的 磨損原因，部分學者指出：在黑色金屬、鈦合金和鎳基 高溫合金的加工中，金剛石工具中的碳元素和工件材 料中的鐵、鈦、鎳等元素在加工過程的高溫作用下，容 易發(fā)生物理化學反應，從而導致金剛石工具的磨損。 Li等［6］指出在加工過程中的高溫作用下，工件材料 中游離的鈦原子在金剛石的石墨化磨損過程中起到 金屬催化劑的作用。Zuo等口指出加工過程中金剛 石產生的石墨化轉變、氧化反應等物理化學反應隨著 溫度的升高更容易發(fā)生且更加劇烈，同時在鐵原子催 化作用下，在較低的溫度(500K)下即可發(fā)生氧化還 原反應。梁巧云等［1］開展單顆金剛石磨粒磨削鈦合 金過程仿真，進行航發(fā)鈦合金葉片磨削試驗，并使用 掃描電鏡、超景深顯微鏡等對磨削后的葉片及砂帶進 行檢測，分析磨削過程中金剛石砂帶的磨損。得出結 論如下：(1)金剛石砂帶在磨削速度為10m/s時，摩 擦接觸點的平均溫度可達到700K以上，且溫度隨磨 削速度的增大而升高；(2)在航發(fā)鈦合金葉片的磨削 中，砂帶磨損程度隨磨削速度增大而升高，與仿真中 磨削速度對摩擦接觸點溫度的影響規(guī)律類似，表明溫 度是影響金剛石砂帶磨損的重要因素；(3) Ml0/20 金剛石砂帶的磨損形式為磨粒損耗和磨粒脫落，同時 磨削過程的磨屑粘連加劇了金剛石砂帶的磨損；(4) 經M10/20金剛石砂帶磨削后的航發(fā)鈦合金葉片型 面精度高，進排氣邊被磨削為良好的圓弧過渡并 且處于±0.05mm的公差帶內,型面粗糙度Ra在 0.4μm以下。

4、球形固結磨料磨頭研磨

作為航空發(fā)動機渦輪葉片的主要材料之一, TiG鈦合金具有優(yōu)良的綜合力學性能，同時密度低、耐高溫腐蝕。但是TiC4鈦合金難切削、導熱系數 低、彈性模量低，在傳統加工中，容易出現加工變形、 刀具損耗快、工件表面燒傷等問題［10］。

目前,TiC,鈦合金材料加工的主要方式是磨削、 銃削等［11］,固結磨料研磨通過磨粒漏出結合劑層的 部位與工件產生機械作用，對工件材料產生塑性或類 塑性去除，可以顯著降低材料表面及亞表面損傷，同 時，由于加工中磨粒硬度高，切削應力小，可有效解決 TiC,,鈦合金難切削、工件表面易燒傷問題。針對 TiG鈦合金難切削、表面易燒傷的問題，王健杰等8 提出球形固結磨料磨頭研磨的加工方法，通過一系列 試驗研究，得到以下結論：（1）研磨時的材料去除率以 及工件表面粗糙度Ra值都隨磨料粒徑的增大而增 大，采用20?30“m碳化硅作為球形磨頭磨料，可以 獲得最佳的材料去除率以及較好的表面質量，此時材 料去除率為6. 7mg/min,表面粗糙度Ra值為0. 876“m。（2）隨著磨頭轉速增大，材料去除率及工件 表面粗糙度值增大；隨著研磨夾角增大，材料去除率 及工件表面粗糙度值逐漸減小；隨著研磨時間的延 長，材料去除率先增大后減小，工件表面粗糙度值逐 漸減小。（3）單點固結磨料研磨時優(yōu)化后的參數組合 為：磨頭轉速200（）r/min,研磨夾角30。，研磨時間 10s,在此工藝參數下，研磨時的材料去除率達到22.2mg/min,工件表面粗糙度Ra值達到0. 700μm。

5、磨削砂輪

不同于切削，磨削依靠眾多磨刃的微切削作用去除材料，工件材料在磨粒的擠壓和切削等作用下變形 較為劇烈，導致磨削表面往往存在較為嚴重的魚鱗狀 涂覆等現象。提高磨削速度可通過降低單顆粒切厚 顯著改善這一問題。在普通磨削條件下，由于磨削溫 度較高，磨削后工件表層多為殘余拉應力。

在普通磨料中，SiC磨料與鈦合金的親和性較 低，因此其磨削效果優(yōu)于剛玉磨料。若采用剛玉磨料 磨削鈦合金，為避免砂輪表面產生大規(guī)模的材料粘 附，需將磨削速度控制在約10m/s。在現有磨具技術水平下，普通砂輪磨削鈦合金時砂輪磨損速度較快, 例如采用SiC砂輪在普通磨削條件下加工鈦合金的 磨削比僅約為1,選用超硬材料砂輪時則提升幾十甚 至上百倍。

此外，相對于普通磨料，超硬材料的導熱能力顯 著增強，因此可以獲得較高的材料去除率。另一方 面，采用超硬材料砂輪磨削鈦合金時可以避免頻繁地 修整砂輪，進一步提高磨削加工效率。即便如此，在工程實踐中仍多采用普通砂輪加工鈦合金，制約超硬 材料砂輪廣泛應用的原因主要有：（1）砂輪價格昂貴, 導致加工成本顯著高于用普通磨料砂輪磨削的成本；（2）砂輪修整難度大。因此，后續(xù)研究可重點關注超 硬砂輪的制備與修整技術。

磨削高溫是抑制體鈦合金磨削加工效率的重要 原因。對此研究人員在開發(fā)新型磨具和改善冷卻方 式等方面進行了一系列研究，例如：超硬磨料釬焊技 術與磨粒有序排布技術結合，開發(fā)出磨粒有序排布cBN砂輪。該砂輪磨粒出露高，可提供充足的容屑 空間，從而減少磨削過去中砂輪與工件之間的摩擦。 在改善冷卻方面，主要有熱管砂輪技術、低溫冷風技 術和徑向水射流技術等。

6、不同cBN砂輪加工技術

PTMCs是一種向鈦合金材料內添加了 TiC和 （或）TB硬質增強相的復合材料，這些增強相具有更 好和更穩(wěn)定的熱力學性能，成為比普通鈦合金性能更 加優(yōu)異的高強、耐熱、輕質材料［1214］。此外，PTMCs 因其更低的密度和優(yōu)異的力學性能，有望替代部分在 500 C?850 C環(huán)境中使用的鎳基的高溫合金零部 件，并使其減重25%?30%。因此,PTMCs有望成 為高推重比發(fā)動機的候選材料，在航空航天領域的應 用前景廣闊。

與切削加工相比，現代磨削正朝著高精度、高效 率的方向發(fā)展［15］,以高速磨削為代表的高效精密磨 削技術在航空航天零部件制造過程中的應用也越來 越廣泛。為了能夠更好地發(fā)揮高速磨削在PTMCs 高效、精密加工方面的優(yōu)勢，李征等［6］采用3種CBN 砂輪進行高速磨削試驗,CBN砂輪分別為釬焊砂輪、 電鍍砂輪和陶瓷砂輪。試驗結果表明：（1）釬焊砂輪 可以獲得最低表面粗糙度的磨削表面，表面粗糙度為 0. 60-0. 77 “m,磨削表面紋理連續(xù)且光滑，相對陶 瓷和電鍍砂輪，釬焊砂輪在PTMCs高速磨削方面更 具優(yōu)勢。（2）研究磨削速度對磨削力的影響時發(fā)現, 無論是法向磨削力，還是切向磨削力，都隨著磨削速 度的升高而減小。（3）在20 “m的條件下，對不同磨 削深度的影響，3種砂輪磨削PTMCs時，在磨削深 度增大的過程中，磨削力都增大。（4）在磨削速度 120 m/s、磨削深度20 “m條件下，3種砂輪磨削PTMCs 的磨削力都隨工件進給速度的升高而逐漸增 大。（5）隨著磨削用量的增大，3種砂輪磨削PTMCs 的磨削溫度顯著增高。（6）加大磨削速度，使釬焊砂輪 和電鍍砂輪磨削PTMCs的表面粗糙度減小。陶瓷砂

輪磨削表面粗糙度則是先降低后升高。總的來說，3 種砂輪磨削PTMCs時，釬焊砂輪可以獲得表面粗糙度 最低的，磨削表面表面粗糙度為0. 60?0. 77 “m。

7、切削刀具

鈦基復合材料是以鈦合金為基體，并在其中添加 碳化鈦、硼化鈦、氧化鋁、氮化鋁等顆粒或者連續(xù)纖維 增強相的金屬基復合材料[17],與鈦合金基體相比，鈦 基復合材料具有重量輕、比強度高、抗氧化性好、耐高 溫、耐磨、抗蠕變、抗輻射等突出優(yōu)點。相比傳統鈦合 金，鈦基復合材料能夠滿足復雜環(huán)境下的特殊要求, 在航空航天、電子信息、半導體照明和交通運輸等領 域具有良好的發(fā)展前景。

鈦基復合材料是一種典型的難加工材料，切削高 溫等引起的刀具快速磨損是鈦合金切削過程存在的 一個主要問題，加工鈦合金時，涂層硬質合金刀具和 PCD刀具顯示出優(yōu)異的切削性能，尤以PCD刀具為 最佳，PcBN次之，TiC基硬質合金刀具和陶瓷刀具 因耐用度低等原因被認為不適用于鈦合金切削加工。 PCD刀具與鈦合金切削的高匹配性主要源自其良好 的導熱性和極高的硬度。金剛石的導熱系數為硬質合 金的數倍，更多切削熱可通過刀具傳出切削區(qū)，極高的 硬度則保證了刀具的耐磨性。采用PCD刀具切削低 鈦合金刀具的耐用度可達硬質合金刀具的數十倍。

其次，鈦合金其中的增強相具有超高的硬度、強 度以及良好的高溫性能，在切削加工時，增強顆粒會 對刀具產生嚴重的犁耕、刻劃等作用，不僅會大大降 低刀具的使用壽命，而且會影響工件的表面加工質 量，導致加工成本明顯提高。因此，實現鈦基復合材 料的高速、高質量加工成為此類金屬基復合材料應用 的關鍵。

針對此問題，國內外學者開展了一系列的研究, ARMESH等使用PCD刀具對添加增強相體積分 數為10%~12% TiC進行不同切削用量的刀具磨損 研究表明，當切削速度為80 m/min,進給速度為0. 35 mm/r,切深為0.2 mm時,PCD刀具的耐久度僅 為2 min；當切削速度為60 m/min,進給速度為0. 26 mm/r,切深為0. 2 mm時,PCD刀具的耐久度為 8min。GE等卻采用硬質合金刀具和PCD刀具在切 削速度為1 00 m/s,進給速度為0. 08 mm/r,切深為 0. 5 mm時，對增強顆粒體積分數為10%的(TiCp + TiBw)/TiC,顆粒增強鈦基復合材料進行高速車削 加工研究，結果表明，由于切削溫度較高，硬質合金刀 具中的WC與工件中的Ti元素劇烈反應導致硬質合金刀具使用壽命不足1 min,而PCD刀具的使用壽 命僅有2 min。濮建飛等⑵?對不同顆粒含量不同的 鈦基復合材料開展高速切削試驗，對比2種不同增強 相體積分數的鈦基復合材料在不同切削速度下的刀 具磨損情況，結果表明，增強相體積分數對PCD刀具 耐用度有顯著影響，體積分數越高，刀具磨損越嚴重, 刀具耐用度越低；增強相種類對刀具的耐用度也有明 顯影響，增強相TiBw對刀具耐用度的影響要大于增 強相TiCp。PCD刀具在切削不同鈦基復合材料時 的刀具磨損形態(tài)相似，主要為前刀面和后刀面的磨 損，且伴有崩刃及微裂紋現象發(fā)生，其主要磨損機理 是磨粒磨損以及黏結磨損，且增強相的體積分數越高，刀具黏結磨損越明顯。

鑒于以上問題，未來可從開發(fā)鈦合金切削專用的 高性能刀具、刀具制備(焊接、切割和刃磨等)和切削工藝優(yōu)選(切削用量的選擇和切削液的供給等)等方 面入手，降低PCD刀具切削鈦合金的成本，進一步擴 大其應用范圍。

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