鈦合金難加工的4大原因和7大對策

      鈦合金，以其獨特的優(yōu)勢在航空、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域占據(jù)重要地位，近兩年亦在3C消費電子領(lǐng)域崛起，應(yīng)用于多款熱銷高端智能手機的機身及結(jié)構(gòu)件上。

  鈦合金具備輕巧、強度高及質(zhì)感佳的性能優(yōu)勢，有助提升智能手機的外觀設(shè)計及大幅降低機身重量，有望成為消費電子材料創(chuàng)新趨勢。然而，鈦合金難以加工的特性一直困擾著工程技術(shù)人員。

  鈦合金加工難點

  1、溫度集中

  大多數(shù)鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)極低，僅為鋼材的1/7，鋁材的1/16，銅材的1/25。因此，在切削過程中產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，而是集中在切削區(qū)域。刀尖溫度可升至1000℃，導(dǎo)致刀具快速磨損、開裂，并產(chǎn)生積屑，縮短刀具壽命。

  切削高溫集中在刀尖，散熱困難，刀具易損。高溫還破壞了鈦合金零件的表面完整性，降低了零件的幾何精度，并引發(fā)加工硬化現(xiàn)象，嚴重降低了其疲勞強度。

  2、彈性變形

  鈦合金的彈性模量相對較低，例如TC4的彈性模量僅為110Gpa，而45鋼為210Gpa，303、304、316等不銹鋼的彈性模量也在200Gpa左右。加工鈦合金時，容易產(chǎn)生彈性變形，尤其在加工薄壁或環(huán)形零件時更為明顯。薄壁件在加工時局部變形超出彈性范圍，產(chǎn)生塑性變形，切削點材料的強度和硬度顯著增加。

  切削壓力使工件產(chǎn)生彈性變形并回彈，增大了刀具與工件間的摩擦，產(chǎn)生額外熱量，加劇了鈦合金導(dǎo)熱性差的問題。

  3、親和力強

  鈦合金的親和力較好，在車削和鉆孔過程中易形成長而連續(xù)的切屑，這些切屑會纏繞刀具并妨礙其功能。切削深度過大時，易造成粘刀、燒刀或斷裂。

  親和力優(yōu)勢在許多領(lǐng)域都頗具價值，例如在離子泵中，鈦被用作陰極板。當(dāng)鈦原子被濺射到陽極管的內(nèi)壁時，它們能夠吸附氣體分子，從而創(chuàng)造出超高真空環(huán)境。

  4、振動

  鈦合金的彈性在零件性能上可能有利，但在切削過程中，卻成為振動的主要原因。加工鈦合金產(chǎn)生的振動是鋼的10倍。由于切削熱集中在切削部分，會產(chǎn)生鋸齒形切屑，導(dǎo)致切削功率波動。

  鈦合金難加工對策

  1、冷卻

  使用冷卻液降低切削高溫。通常，非可溶性油冷卻液適用于低速重載切削，可溶性切削冷卻液適用于高速切削。

  另外可使用低溫切削法，如使用液氮（-180℃）或液態(tài)CO2（-76℃）作為切削液，能有效降低切削區(qū)溫度，提高加工表面質(zhì)量，延長刀具壽命。

  2、選擇合適的刀具

  選用恰當(dāng)?shù)那邢鞯毒吣茱@著提升加工效率。由于鈦合金的熱量主要依靠切削刃和冷卻液來散發(fā)，而非像鋼材那樣通過切屑排出，因此切削刃的微小部分需承受極大的熱和機械應(yīng)力。保持切削刃的鋒利能降低切削力。

  此外，采用拋光凹槽的磨削技術(shù)和高正角的可轉(zhuǎn)位刀片，也有助于減輕切削壓力。

  必要時，還可以使用涂層刀具，以減少合金的粘性并破碎過長切屑。這樣做不僅降低了排屑過程中的摩擦，還有助于控制加工過程中產(chǎn)生的熱量。

  3、恒定進給或增加進給率

  鈦合金在加工過程中容易發(fā)生硬化，即在切削時，鈦合金的硬度會提高，這會加速工具的磨損。因此，保持恒定的進給對于將加工硬化降至最低至關(guān)重要。

  當(dāng)然，如果設(shè)備性能允許，可以嘗試增加進給率。這樣做可以減少刀具在加工區(qū)域停留的時間，從而減少熱量積聚和加工硬化的機會。

  4、降低切割速度

  控制放熱，使用鋼切割速度的1/3或更低進行鈦合金加工。

  5、根據(jù)工藝更換刀具

  在加工鈦合金時，陶瓷、碳化鈦和氮化鈦涂層刀具的壽命相對較短。通常，對于大批量的鈦合金加工，硬質(zhì)鋼刀具是首選；而對于小批量加工，則使用高速硬質(zhì)合金刀具更為合適。

  目前，超聲波加工技術(shù)正在研發(fā)中，其目的是通過減少刀具與工件的接觸時間，來延長刀具的使用壽命。

  6、使用高剛性機床

  高剛性機床對于成功加工鈦合金至關(guān)重要。理想的鈦合金銑床必須是剛性的，主軸能在低轉(zhuǎn)速和高扭矩下運行，以吸收振動并減少切削過程中的顫振。

  7、定期清潔

  定期清潔加工設(shè)備和刀具，防止碎屑沉積，影響加工效果。