鈦棒鈦板等鈦合金材料的特性與機械加工技術

引言

作為一種重要的結構金屬,鈦合金材料在20世紀50-60年代得到了世界各國的廣泛應用，并在多個重要領域發揮著至關重要的作用。正因鈦合金材料具有一定的特殊性質，因此，對鈦合金材料的機械加工工藝的分析研究需要嚴格遵循鈦合金材料的機械加工原則。為了保證經過機械加工后的鈦棒、鈦板、鈦鍛件等鈦合金材料可以滿足實際使用需求，在實際加工過程中應合理選擇切割刀具的材料,并設置合理的加工幾何參數，最后選擇合適的機械加工工藝。

1、鈦合金材料的特性及應用

1.1鈦合金材料特性

作為一種新型的、性能良好的金屬材料,鈦合金一經問世，便憑借其良好的材料特性在汽車、醫療設施、航空航天、體育用品等各個領域中得到了廣泛的應用,這與鈦合金材料中本身所含有的氫、碳、氮、氧等元素含量有著宜接的關系。本文簡要總結了鈦合金材料所具有的特殊性質，具體如下。

1.1.1鈦合金材料具有低密度的特性

鈦棒、鈦板、鈦鍛件等鈦合金材料的密度僅僅是鋼材料密度的60%,并且鈦合金材料的強度要遠遠高于大部分的合金結構鋼，因此，鈦合金材料可以完美地替代合金鋼材料,并具有比合金鋼材料更輕的質量，從而符合一些大型結構件減輕重量的需求。

1.1.2鈦合金材料低溫性能較好

經實踐證明,在零下253攝氏度的超低溫環境下,鈦合金材料仍能保持良好的力學性能，并具有一定的可塑性，因此，鈦合金材料是一種非常重要的、適用于低溫或超低溫環境的結構材料。

1.1.3鈦合金材料熱溫度較高

鈦合金材料不僅具有良好的低溫性能，同時也具有較高的熱強度。實踐證明，鈦合金材料在超過500攝氏度的高溫環境下仍可以保持較長時間的工作，因此鈦合金材料可以被廣泛地應用于高溫環境作業。

1.1.4鈦合金材料具有抗腐蝕性

在潮濕、腐蝕元素角度的環境下，鈦合金材料所表現出來的抗腐蝕性遠遠高于不銹鋼金屬材料，因此鈦合金被廣泛地應用于海水、硝酸、硫酸等氧化物含量豐富的環境中，最常見的應用即船只。

1.2鈦合金材料的應用

(1) 航空航天領域:美國在航空鈦合金應用方面起步較早且較為成熟，其在80年代后設計的各種先進戰機中運用了 20%以上的鈦合金材料。如第三代戰機F15中鈦合金材料占總材料的27%,而第四代戰機F22的鈦合金材料占總量比例已經高達41%。

(2) 化工裝備領域:鈦合金耐腐蝕的特性使其已成為化工裝備中主要的防腐蝕材料之一。鈦制化工設備最早應用在純堿與燒堿工業，但目前已經擴展到氯酸鹽、氯化錢、尿素、有機合成及精細化工等行業。目前,鈦制換熱器占國產鈦制化工設備總量的絕大部分,其次是鈦陽極和鈦制容器，比例分別為56.66%、20.41%、16.28%,剩余為其他鈦制設備約占6.65%。

(3) 生物醫療領域:鈦合金材料在生物醫學領域的運用最早可追溯到20世紀40年代初,Bothe等人首先發現純鈦與老鼠股骨之間具有良好的生物相容性，Leventhal 10年后又進一步證實了純鈦具有良好的生物相容特性。Branemark于1969年成功地將純鈦用于口腔種植體，隨后a型鈦合金在臨床上也成功運用于股骨和脛骨替換材料，促進了鈦合金作為醫療植入件在生物醫學領域的快速發展及廣泛應用。

2、鈦合金材料機械加工技術

2.1鈦合金材料機械加工難點

作為典型的難加工材料，具有較為活潑化學性質的鈦合金在高溫狀態下易與氧氣、二氧化碳、氮氣等發生反應并形成脆硬層,從而降低鈦合金的塑性,增大刀具對鈦合金基體材料的切削難度。此外，鈦合金導熱系數小,其熱導率不到碳鋼的五分之一,使用傳統機械加工方法切削時熱量不易散發,工件局部溫度快速上升,導致刀尖急劇磨損，刀具使用壽命大大降低。切屑流經前刀面時摩擦力很大，且切屑與刀具容易發生粘接，進而加劇了刀具的磨損。常見的刀具磨損形式有月牙洼形前刀面磨損、邊界磨損、微崩刃、后刀面磨損以及刀 具破損等。

因此,鈦棒、鈦板等鈦合金材料在切削加工過程中，選用的刀具材料、切削條件等都會對鈦合金的切削加工效率和經濟性產生很大影響。刀具應具有耐磨性好、熱硬性高，韌性高等特點。同時，改善切削條件也十分重要，刀具切削部分要盡量短，在保證足夠容屑的情況下盡量加大切削刃的厚度,提高刀具的強度和剛性，從而在一定程度上增加了傳統機械加工方法加工鈦合金材料的難度和成本。

2.2鈦合金材料機械加工技術研究現狀

李亮等人研究了鈦合金銃削過程中切削溫度峰值與切削力之間的關系，結果表明切削溫度分支滯后于切削力峰值。Narutaki全面研究了鈦合金TC4銃削和車削過程中切削力和切削溫度的變化，并證明在小于200m/min的切削速度下，鈦合金切削力低于同等條件下切削碳鋼的切削力，但切削溫度遠高于切削碳鋼時的溫度，這表明導致鈦合金切削加工過程中刀具磨損的主要原因是切削溫度。

Jawaid等人研究發現高速車削鈦合金時,WC硬質合金刀具主要以后刀面的擴散磨損為主。而使用PCBN刀具加工鈦合金時,刀具的主要磨損形式為塑性變形，而使用含鈦化物的硬質合金刀具加工鈦合金時，刀具主要發生后刀面磨損及粘結磨損，嚴重時甚至出現崩刃等情況。張琳等人針對鈦合金切削特性從刀具選用、切削參數、冷卻液等多方面對鈦合金材料車削及銃削工藝進行分析，總結出了十分寶貴的經驗。

2.3鈦合金材料的機械加工原則

科學合理的機械加工原則是保證鈦合金材料機械加工水平的基本要求。若鈦合金材料在機械加工的過程中沒有嚴格遵循加工原則，那么也就無法保障機械加工出的鈦合金產品質量。因此在進行鈦合金材料機械加工原則的分析前，對鈦合金材料的機械加工原則進行明確是十分有必要的。

2.3.1合理選擇刀具材料

作為鈦合金材料機械加工過程中的核心工具,刀具的選擇是十分重要的，因此應充分結合鈦合金材料的特性，選擇合適的刀具材料。在刀具材料的選擇上，不僅需要綜合考慮所采用的切割方法、所涉及到加工技術，同時還需要充分考慮刀具材料的經濟性,這樣才能真正保證刀具材料選擇的合理性，在切實保障鈦合金材料機械加工的質量的同時，保證加工企業的經濟效益。

2.3.2優化切削條件

在對鈦合金材料進行機械加工時，為了充分滿足機械加工系統的實際需求，就需要最大限度地提高機械加工切削條件的質量。優化切削條件中最重要的一個步驟即工作人員合理調整機械加工機床結構之間的間隙，從而減少在機械加工過程中所產生的機床主軸部件震動，進而提高鈦合金材料的機械加工質量。另外，為了提高刀具的硬度以及強度,還需要適當地對刀具進行調整,如減少刀具切削長度,增加刀具厚度等,這樣不僅可以提高切削效率，同時還可以降低刀具損耗，延長刀具的使用時間。

2.3.3在合理范圍內控制切削量

由于鈦合金材料相比于其他金屬材料來說具有較多的特殊性，因此鈦合金材料的機械加工也不同于其他材料的加工叫如，鈦合金材料的機械加工應合理控制鈦合金材料的切削量，并且切削量的控制無法按照其他金屬材料的標準。

鈦合金材料機械加工中切削量的控制可以從以下幾個方面入手:首先，合理控制切削速度。過快的切削速度必然伴隨著大量的熱量產生,使刀具的溫度增加。

當刀具的溫度超過合理范圍時，刀具的硬度與強度都會受到影響,從而對刀具造成不可逆的損傷，增加加工成本,以此應適當降低切削速度。其次,合理控制切削深度。在對鈦合金材料的機械加工過程中，切削深度的變化不會造成切削溫度的變化，因此，當切削速度降低后，可以適當增加切削深度，從而保證鈦合金材料的機械加工效率。其中需要著重注意的一點是，在進行粗車操作時，應保證刀具的刀刃完全進入被加工材料的表面,從而避免對刀刃造成損傷。最后，切忌在切削過程中停止走刀,一旦在切削過程中停止走刀，就可能會導致刀刃與鈦合金材料之間的摩擦力，使鈦合金材料出現表面硬化的現象，最終導致機械加工后的鈦合金材料無法使用。

3、鈦合金材料機械加工工藝分析

目前來說，常用的鈦合金材料機械加工方法為車削、鉆削、攻絲、電火花等。而不同情況下的鈦合金材料機械加工,需要采用不同的加工工藝。機械加工工藝選擇的合理與否，將直接決定著鈦合金材料的機械加工效果與效率，同時也可以為加工企業節約成本，接下來，從切削液、刀具材料、工藝參數三個方面對鈦合金材料機械加工工藝進行分析。

3.1切削液

切削液在鈦合金材料機械加工的過程中發揮著至關重要的作用。由于鈦合金材料在切削過程中會伴隨著大量的切屑與熱量產生，需要切削液來對其進行合理的處理，因此，切削液的選擇是鈦合金材料機械加工過程中的重要工藝之一。有大量實踐研究表明,科學合理地選擇切削液可以有效提高鈦合金材料機械加工的效率，并減少機械加工過程中設備的損耗,提高鈦合金材料的機械加工質量。一般來說,國內鈦合金材料機械加工通常使用水溶性、堿性、油性的切削液，也有一些國內外企業采用鹵素潤滑冷卻液作為鈦合金材料機械加工的切削液,這種切削液雖然具有較好的冷卻性,但其長期使用的話會在鈦合金材料表面形成一層鹽層，并具有一定的腐蝕性，因此使用這種切削液時應注意定期清理鹽層。還有部分企業在進行鈦合金材料的機械加工時采用新型固體潤滑劑代替切削液，但這種方式同樣會對設備造成損害，因此，應綜合權衡利弊,并結合實際情況合理選擇切削液.

3.2刀具材料

在鈦合金材料機械加工工藝中，刀具的性能宜接決定著機械加工的效率與質量。由于鈦合金材料具有導熱性差、可塑性不高、硬度較高等特點，并且鈦合金材料的機械加工環境具有高溫、高壓等特點，因此刀具材料的選擇非常重要。一般情況下，加工企業為了控制成本,減少刀具的磨損程度，往往會選擇一些具有高耐磨性、高硬度的刀具，如表1所示。

3.3刀具的幾何參數

鈦合金材料機械加工中所使用的刀具一般有車刀、鉆頭、銃刀、絲錐、餃刀等。進行鈦合金材料的粗加工時應保證刀具的幾何參數，如前后角尺寸等。在對鈦合金材料進行精加工時,應保證刀刃沒有倒棱,從而保證加工出的鈦合金材料尺寸精準、表面光滑。在使用鉆頭進行鈦合金材料的加工時，應保證螺旋角度設計的合理性，從而滿足加工時的冷卻和排屑，同時還需要保證鉆頭的強度和穩定性。由于銃刀會與鈦合金材料的表面進行宜接接觸，因此應謹慎選擇銃刀的設計。在使用絲錐進行鈦合金材料的加工時，應當將前角控制在6度至9度的范圍內，后角控制在5度至11度的范圍內，錐角控制在5度至7度的范圍內，從而防止在加工過程中出現齒崩與扭斷的現象。

4、結語

綜上所述，鈦合金已經成為當今應用廣泛的金屬材料之一，并且在各個領域發揮著重要的作用，因此,加強對鈦合金材料機械加工工藝的分析研究具有重要的現實意義。

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