加工钛合金要注意什么?

钛合金加工特点:

钛合金具有优良的综合力学性能、低密度、良好的耐腐蚀性，是刀具行业开发航天时代新产品的战略金属材料。

钛合金所需的加工环境:

钛合金在干式加工过程中不需要润滑，但仍然经常使用高压冷却剂加工以达到更好的冷却效果。高压迫使冷却剂渗透到刀具-工件和刀具之间的接触区域。还可采用间接冷却、一般浸没、封闭槽加工、钛合金高温热强化加工等方法，减少所需冷却剂的切削力体积，使加工环境中的润滑量最小化，更加环保。

1. 干燥处理环境:
   干燥加工环境是指在加工过程中不需要润滑。优点是工作环境更清洁，零件更清洁，不产生废物，降低加工成本，由于没有残余油，减少了芯片回收成本。
2. 高压冷却剂环境:
   高压冷却液能穿透刀具-工件与刀屑的接触区域，达到较好的冷却效果。通过润滑接触区域，减少了刀具磨损。高压冷却液射流在工具和工件之间形成一个液压屏障，它穿透界面以更快的冷却，即使在高加工速度。冷却剂射流还有助于从切割区域去除切屑。
3. 低温环境下的低温润滑剂:
   在芯片和刀具接口之间注入液氮(LN₂)、二氧化碳(CO₂)或其他低温润滑剂，以冷却切割区域。低温冷却的应用方法有工件的预冷却、刀具刀片的间接冷却、一般浸没、闭槽加工等。LN₂吸收热量后迅速蒸发，在芯片和刀片表面之间形成流体气垫，起到润滑剂的作用。LN₂无毒、便宜、清洁。它有效地从切削区去除热量，并将刀具磨损降至最低。在加工表面引入残余压应力，提高疲劳寿命。
4. 热强化加工环境:
   在这种环境中，被加工的材料被加热到高温，从而降低材料的强度。材料的流变应力和应变硬化速率随温度的升高而降低。这种方法的目的是在不牺牲刀具寿命的情况下提高材料去除率。工件的温升是通过激光、等离子体、气体或感应加热来实现的。因此，在高温下加工钛合金可以减少切削力，消除冷却剂，使其更加环保。此外，由于分段加工，它减少了刀具-工作-机械系统的振动。
5. 加工环境的最低润滑水平:
   油和压缩空气的混合物以薄雾的形式提供在模具接口之间。空气携带的小油滴直接飞到工作区域，提供所需的冷却和润滑。雾是通过雾化过程产生的，它将散装液体通过喷嘴转化为喷雾或薄雾。喷雾润滑显著降低切削区温度，从而增加刀具寿命。

钛合金分类:

根据退火后钛合金的组织特点，可分为α型、α+β型、β型钛合金。

1. α型钛合金密度低:
   它具有良好的热强度和热稳定性，良好的焊接性能，在常温、超低温、高温下均有良好的性能，但不能通过热处理进行强化。TiAl在600℃时仍具有较高的强度，并具有良好的蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性。它通常用于制造喷气发动机涡轮盘和叶片。
2. α+β型钛合金双相合金:
   随着β相稳定元素的增加，合金组织稳定，韧性、塑性和高温变形性能得到改善。具有良好的热压加工性能，可淬火和时效强化合金。热处理后的强度比退火状态提高了约50% ~ 100%。具有耐高温性能，可在400~500°C的温度下长期工作，但热稳定性不如α钛合金。在β型钛合金中，Ti-6Al-4V是所有钛合金中使用最多的，其在美国的产量占钛合金产量的一半以上。由于其优良的综合力学性能和可加工性，被广泛应用于航空零部件的制造，如钛合金航空发动机叶轮的应用。
3. β型钛合金。β钛合金是由β相固溶体组成的单相合金:
   其室温强度高，冷加工和冷成形加工能力强。不经热处理，强度高。淬火时效后，合金强度进一步增强，室温强度可达1372~1666MPa。但其热稳定性较差，不宜在高温下使用。

钛合金加工特点:

• 钛合金导热性能较差，是一种较差的导热材料。由于其导热系数较低，加工过程中产生的高热量无法有效扩散。刀具刃口与切屑接触的长度短，使大量的热量积聚在刃口上。温度急剧升高，导致刃口红硬度下降，刃口软化，加速刀具磨损。
• 钛合金亲和力大，加工过程中严重粘附刀具。这增加了刀体和工件之间的摩擦，产生大量的热量，减少了工具的使用寿命。
• 随着工作温度的升高，化学活性增加，使合金易于与空气中的O、N、CO、CO₂、H₂O等发生反应。随着间隙元素O、N含量的增加，工件表面发生氧化硬化，加工难度加大。所需的刀具切削力增加，增加了刀尖上的应力。刀具前刀面和后刀面的摩擦增加，工件导致刀片的快速磨损或崩溃。
• 因为钛合金的变形系数也低，切削过程中刀具与切屑的接触面积小。切屑与前刀面的高摩擦也会增加切削温度，加速刀具前刀面的磨损。
• 因为钛合金的变形系数也低，切削过程中刀具与切屑的接触面积小。切屑与前刀面的高摩擦也会增加切削温度，加速刀具前刀面的磨损。
• 不同的加工方法给钛合金的加工带来不同的困难。加工工艺的难易程度，从易到难依次为:车、铣、钻、磨、钻小直径深孔。

钛合金加工刀具材料:

钛合金加工成本高是阻碍其广泛应用的主要原因。寻求一种高效、低成本的钛合金加工方法已成为当今钛合金研究的热点。材料的选择对钛合金的加工有很大的影响。理想的钛合金刀具材料必须具有热硬度高、韧性好、耐磨性好、导热系数高、化学活性低的综合性能。铣削时，刀具还应具有良好的抗冲击性。目前生产中用于加工钛合金的主要工具材料有硬质合金、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等。硬质合金和PCD工具被认为是加工钛合金的理想工具。

钛合金切削的切削原理:

1. 切割速度:
   切削速度影响切削刃的温度，会导致切削刃过热，造成尖端粘结和磨损严重。因此，为了确保更大的刀具耐用性，应选择适当的切削速度，以降低成本，确保加工质量。
2. 进给深度和进给量:
   改变孔道数对温度影响不大，合理的做法是减小切削深度，增加孔道数。但是，为避免硬氧化层和皮下孔层，切割深度应达到基材的未氧化金属层。这将提高工具的寿命。
3. 工具几何:
   切削钛合金时，选择适合加工方法的前角、后凸角等几何参数以及刀具提示的正确处理对切削效率和刀具寿命有重要影响。车削时，为改善散热条件，加强切削刃，前角一般为5°~9°。为克服回弹引起的摩擦，刀体后刀面一般为10°~15°。在钻井时，通过缩短钻头长度，增加岩芯厚度和导向锥数量，可以使钻头的耐久性提高几倍。
4. 锁模力:
   钛合金容易变形，夹紧力不宜过大。特别是在精加工过程中，应选用一定的辅助支架。
5. 切削液:
   切削液是钛合金加工过程中不可缺少的加工润滑剂，但切削液中含有氯或其他卤素元素和硫会对钛合金的力学性能产生不利影响。

钛合金由于其优良的性能，在航空航天工业中使用的比例逐年增加。然而，由于切削成本高，加工效率低，目前的应用仍然受到很大的限制。随着刀具材料研发和加工技术的不断提高，钛合金的加工效率将大大提高，加工成本将逐步降低。这将推动钛合金在造船、汽车制造、电子、海洋开发、化工等领域的广泛应用。