钛棒钛板等钛合金材料的特性与机械加工技术

引言

作为一种重要的结构金属,钛合金材料在20世纪50-60年代得到了世界各国的广泛应用，并在多个重要领域发挥着至关重要的作用。正因钛合金材料具有一定的特殊性质，因此，对钛合金材料的机械加工工艺的分析研究需要严格遵循钛合金材料的机械加工原则。为了保证经过机械加工后的钛棒、钛板、钛锻件等钛合金材料可以满足实际使用需求，在实际加工过程中应合理选择切割刀具的材料,并设置合理的加工几何参数，最后选择合适的机械加工工艺。

1、钛合金材料的特性及应用

1.1钛合金材料特性

作为一种新型的、性能良好的金属材料,钛合金一经问世，便凭借其良好的材料特性在汽车、医疗设施、航空航天、体育用品等各个领域中得到了广泛的应用,这与钛合金材料中本身所含有的氢、碳、氮、氧等元素含量有着宜接的关系。本文简要总结了钛合金材料所具有的特殊性质，具体如下。

1.1.1钛合金材料具有低密度的特性

钛棒、钛板、钛锻件等钛合金材料的密度仅仅是钢材料密度的60%,并且钛合金材料的强度要远远高于大部分的合金结构钢，因此，钛合金材料可以完美地替代合金钢材料,并具有比合金钢材料更轻的质量，从而符合一些大型结构件减轻重量的需求。

1.1.2钛合金材料低温性能较好

经实践证明,在零下253摄氏度的超低温环境下,钛合金材料仍能保持良好的力学性能，并具有一定的可塑性，因此，钛合金材料是一种非常重要的、适用于低温或超低温环境的结构材料。

1.1.3钛合金材料热温度较高

钛合金材料不仅具有良好的低温性能，同时也具有较高的热强度。实践证明，钛合金材料在超过500摄氏度的高温环境下仍可以保持较长时间的工作，因此钛合金材料可以被广泛地应用于高温环境作业。

1.1.4钛合金材料具有抗腐蚀性

在潮湿、腐蚀元素角度的环境下，钛合金材料所表现出来的抗腐蚀性远远高于不锈钢金属材料，因此钛合金被广泛地应用于海水、硝酸、硫酸等氧化物含量丰富的环境中，最常见的应用即船只。

1.2钛合金材料的应用

(1) 航空航天领域:美国在航空钛合金应用方面起步较早且较为成熟，其在80年代后设计的各种先进战机中运用了 20%以上的钛合金材料。如第三代战机F15中钛合金材料占总材料的27%,而第四代战机F22的钛合金材料占总量比例已经高达41%。

(2) 化工装备领域:钛合金耐腐蚀的特性使其已成为化工装备中主要的防腐蚀材料之一。钛制化工设备最早应用在纯碱与烧碱工业，但目前已经扩展到氯酸盐、氯化钱、尿素、有机合成及精细化工等行业。目前,钛制换热器占国产钛制化工设备总量的绝大部分,其次是钛阳极和钛制容器，比例分别为56.66%、20.41%、16.28%,剩余为其他钛制设备约占6.65%。

(3) 生物医疗领域:钛合金材料在生物医学领域的运用最早可追溯到20世纪40年代初,Bothe等人首先发现纯钛与老鼠股骨之间具有良好的生物相容性，Leventhal 10年后又进一步证实了纯钛具有良好的生物相容特性。Branemark于1969年成功地将纯钛用于口腔种植体，随后a型钛合金在临床上也成功运用于股骨和胫骨替换材料，促进了钛合金作为医疗植入件在生物医学领域的快速发展及广泛应用。

2、钛合金材料机械加工技术

2.1钛合金材料机械加工难点

作为典型的难加工材料，具有较为活泼化学性质的钛合金在高温状态下易与氧气、二氧化碳、氮气等发生反应并形成脆硬层,从而降低钛合金的塑性,增大刀具对钛合金基体材料的切削难度。此外，钛合金导热系数小,其热导率不到碳钢的五分之一,使用传统机械加工方法切削时热量不易散发,工件局部温度快速上升,导致刀尖急剧磨损，刀具使用寿命大大降低。切屑流经前刀面时摩擦力很大，且切屑与刀具容易发生粘接，进而加剧了刀具的磨损。常见的刀具磨损形式有月牙洼形前刀面磨损、边界磨损、微崩刃、后刀面磨损以及刀 具破损等。

因此,钛棒、钛板等钛合金材料在切削加工过程中，选用的刀具材料、切削条件等都会对钛合金的切削加工效率和经济性产生很大影响。刀具应具有耐磨性好、热硬性高，韧性高等特点。同时，改善切削条件也十分重要，刀具切削部分要尽量短，在保证足够容屑的情况下尽量加大切削刃的厚度,提高刀具的强度和刚性，从而在一定程度上增加了传统机械加工方法加工钛合金材料的难度和成本。

2.2钛合金材料机械加工技术研究现状

李亮等人研究了钛合金铳削过程中切削温度峰值与切削力之间的关系，结果表明切削温度分支滞后于切削力峰值。Narutaki全面研究了钛合金TC4铳削和车削过程中切削力和切削温度的变化，并证明在小于200m/min的切削速度下，钛合金切削力低于同等条件下切削碳钢的切削力，但切削温度远高于切削碳钢时的温度，这表明导致钛合金切削加工过程中刀具磨损的主要原因是切削温度。

Jawaid等人研究发现高速车削钛合金时,WC硬质合金刀具主要以后刀面的扩散磨损为主。而使用PCBN刀具加工钛合金时,刀具的主要磨损形式为塑性变形，而使用含钛化物的硬质合金刀具加工钛合金时，刀具主要发生后刀面磨损及粘结磨损，严重时甚至出现崩刃等情况。张琳等人针对钛合金切削特性从刀具选用、切削参数、冷却液等多方面对钛合金材料车削及铳削工艺进行分析，总结出了十分宝贵的经验。

2.3钛合金材料的机械加工原则

科学合理的机械加工原则是保证钛合金材料机械加工水平的基本要求。若钛合金材料在机械加工的过程中没有严格遵循加工原则，那么也就无法保障机械加工出的钛合金产品质量。因此在进行钛合金材料机械加工原则的分析前，对钛合金材料的机械加工原则进行明确是十分有必要的。

2.3.1合理选择刀具材料

作为钛合金材料机械加工过程中的核心工具,刀具的选择是十分重要的，因此应充分结合钛合金材料的特性，选择合适的刀具材料。在刀具材料的选择上，不仅需要综合考虑所采用的切割方法、所涉及到加工技术，同时还需要充分考虑刀具材料的经济性,这样才能真正保证刀具材料选择的合理性，在切实保障钛合金材料机械加工的质量的同时，保证加工企业的经济效益。

2.3.2优化切削条件

在对钛合金材料进行机械加工时，为了充分满足机械加工系统的实际需求，就需要最大限度地提高机械加工切削条件的质量。优化切削条件中最重要的一个步骤即工作人员合理调整机械加工机床结构之间的间隙，从而减少在机械加工过程中所产生的机床主轴部件震动，进而提高钛合金材料的机械加工质量。另外，为了提高刀具的硬度以及强度,还需要适当地对刀具进行调整,如减少刀具切削长度,增加刀具厚度等,这样不仅可以提高切削效率，同时还可以降低刀具损耗，延长刀具的使用时间。

2.3.3在合理范围内控制切削量

由于钛合金材料相比于其他金属材料来说具有较多的特殊性，因此钛合金材料的机械加工也不同于其他材料的加工叫如，钛合金材料的机械加工应合理控制钛合金材料的切削量，并且切削量的控制无法按照其他金属材料的标准。

钛合金材料机械加工中切削量的控制可以从以下几个方面入手:首先，合理控制切削速度。过快的切削速度必然伴随着大量的热量产生,使刀具的温度增加。

当刀具的温度超过合理范围时，刀具的硬度与强度都会受到影响,从而对刀具造成不可逆的损伤，增加加工成本,以此应适当降低切削速度。其次,合理控制切削深度。在对钛合金材料的机械加工过程中，切削深度的变化不会造成切削温度的变化，因此，当切削速度降低后，可以适当增加切削深度，从而保证钛合金材料的机械加工效率。其中需要着重注意的一点是，在进行粗车操作时，应保证刀具的刀刃完全进入被加工材料的表面,从而避免对刀刃造成损伤。最后，切忌在切削过程中停止走刀,一旦在切削过程中停止走刀，就可能会导致刀刃与钛合金材料之间的摩擦力，使钛合金材料出现表面硬化的现象，最终导致机械加工后的钛合金材料无法使用。

3、钛合金材料机械加工工艺分析

目前来说，常用的钛合金材料机械加工方法为车削、钻削、攻丝、电火花等。而不同情况下的钛合金材料机械加工,需要采用不同的加工工艺。机械加工工艺选择的合理与否，将直接决定着钛合金材料的机械加工效果与效率，同时也可以为加工企业节约成本，接下来，从切削液、刀具材料、工艺参数三个方面对钛合金材料机械加工工艺进行分析。

3.1切削液

切削液在钛合金材料机械加工的过程中发挥着至关重要的作用。由于钛合金材料在切削过程中会伴随着大量的切屑与热量产生，需要切削液来对其进行合理的处理，因此，切削液的选择是钛合金材料机械加工过程中的重要工艺之一。有大量实践研究表明,科学合理地选择切削液可以有效提高钛合金材料机械加工的效率，并减少机械加工过程中设备的损耗,提高钛合金材料的机械加工质量。一般来说,国内钛合金材料机械加工通常使用水溶性、碱性、油性的切削液，也有一些国内外企业采用卤素润滑冷却液作为钛合金材料机械加工的切削液,这种切削液虽然具有较好的冷却性,但其长期使用的话会在钛合金材料表面形成一层盐层，并具有一定的腐蚀性，因此使用这种切削液时应注意定期清理盐层。还有部分企业在进行钛合金材料的机械加工时采用新型固体润滑剂代替切削液，但这种方式同样会对设备造成损害，因此，应综合权衡利弊,并结合实际情况合理选择切削液.

3.2刀具材料

在钛合金材料机械加工工艺中，刀具的性能宜接决定着机械加工的效率与质量。由于钛合金材料具有导热性差、可塑性不高、硬度较高等特点，并且钛合金材料的机械加工环境具有高温、高压等特点，因此刀具材料的选择非常重要。一般情况下，加工企业为了控制成本,减少刀具的磨损程度，往往会选择一些具有高耐磨性、高硬度的刀具，如表1所示。

3.3刀具的几何参数

钛合金材料机械加工中所使用的刀具一般有车刀、钻头、铳刀、丝锥、饺刀等。进行钛合金材料的粗加工时应保证刀具的几何参数，如前后角尺寸等。在对钛合金材料进行精加工时,应保证刀刃没有倒棱,从而保证加工出的钛合金材料尺寸精准、表面光滑。在使用钻头进行钛合金材料的加工时，应保证螺旋角度设计的合理性，从而满足加工时的冷却和排屑，同时还需要保证钻头的强度和稳定性。由于铳刀会与钛合金材料的表面进行宜接接触，因此应谨慎选择铳刀的设计。在使用丝锥进行钛合金材料的加工时，应当将前角控制在6度至9度的范围内，后角控制在5度至11度的范围内，锥角控制在5度至7度的范围内，从而防止在加工过程中出现齿崩与扭断的现象。

4、结语

综上所述，钛合金已经成为当今应用广泛的金属材料之一，并且在各个领域发挥着重要的作用，因此,加强对钛合金材料机械加工工艺的分析研究具有重要的现实意义。

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