钛合金加工时应注意什么?

钛合金加工特点:

钛合金具有优良的综合力学性能、低密度、良好的耐蚀性，是可用于刀具工业开发新太空时代产品的战略性金属材料。

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，但高压冷却液加工仍常用于达到较好的冷却效果。高压迫使冷却剂穿透刀具-工件和刀具之间的接触区域。也可采用钛合金在高温下的间接冷却、一般浸没、封闭槽加工、热强化加工等方法，减少冷却剂所需的切削力体积，使加工环境中的润滑量降到最低，使其更加环保。

1. 干法加工环境:
   干式加工环境是在加工过程中不需要润滑的环境。其优点是工作环境更清洁，零件更清洁，不产生废物，降低了加工成本，并且由于没有残油而降低了切屑回收成本。
2. 高压冷却液环境:
   高压冷却液能穿透刀-工件与刀屑之间的接触区域，达到较好的冷却效果。这通过润滑接触区域来减少工具磨损。高压冷却液射流在工具和工件之间形成液压屏障，穿透界面以实现更快的冷却，即使在高加工速度下也是如此。冷却剂射流也有助于从切割区域去除切屑。
3. 低温环境下的低温润滑剂:
   在切屑和刀具界面之间注入液氮(LN₂)、二氧化碳(CO₂)或其他低温润滑剂，以冷却切削区域。低温冷却的应用方法有工件预冷却、刀口间接冷却、一般浸没、闭槽加工等。LN₂吸收热量，迅速蒸发，在切屑和叶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，最大限度地减少刀具磨损。它还可以在加工表面引入压残余应力，提高其疲劳寿命。
4. 热强化加工环境:
   在这种环境下，被加工的材料被加热到高温，从而降低了材料的强度。随着温度的升高，材料的流变应力和应变硬化速率降低。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。工件的升温是通过激光、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雾的形式提供在工具界面之间。由空气携带的小油滴直接飞入工作区域，提供所需的冷却和润滑。雾是通过雾化过程产生的，通过喷嘴将散装液体转化为喷雾或雾。喷淋润滑可显著降低切削区的温度，从而提高刀具寿命。

钛合金分类:

根据退火后的组织特点，可分为α型、α+β型、β型钛合金。

1. α型钛合金密度低;
   具有良好的热强度和热稳定性，焊接性能好，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，组织稳定，韧性、塑性和高温变形性能得到改善。它具有良好的热压加工性，并可淬火和时效以强化合金。热处理后的强度比退火后的强度提高约50% ~ 100%。具有耐高温性能，可在400~500℃的温度下长时间工作，但热稳定性不如α钛合金。在β型钛合金中，Ti-6Al-4V是所有钛合金中应用最多的，其在美国的产量占钛合金产量的一半以上。由于其优异的综合力学性能和可加工性，被广泛应用于航空航天零件的制造，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，冷加工和冷成型加工能力强。不经热处理，强度高。经淬火时效后，合金强度进一步增强，室温强度可达1372~1666MPa。但其热稳定性差，不宜在高温下使用。

钛合金加工特点:

• 钛合金导热性差，是一种导热性能差的材料。由于其导热系数低，加工过程中产生的高热量不能有效扩散。切削刃与刀具切屑的接触长度短，使大量的热量积聚在切削刃上。温度急剧升高，导致切削刃红色硬度降低，切削刃软化，加速刀具磨损。
• 钛合金的亲和力较大，导致加工时对刀具粘连严重。这增加了工具体和工件之间的摩擦，产生了大量的热量，从而降低了工具的使用寿命。
• 随着工作温度的升高，化学活性增加，使合金容易与空气中的O、N、CO、CO₂、H₂O等发生反应。随着间隙元素O和N含量的增加，工件表面被氧化硬化，使其难以加工。刀具所需的切削力增大，增加了刀尖上的应力。前刀面和刀具侧面以及工件之间的摩擦增加会导致刀片的快速磨损或崩溃。
• 因为钛合金的变形系数也低，切削时刀具与切屑的接触面积小。切屑与前刀面之间的高摩擦也会使切削温度升高，加速刀具前刀面的磨损。
• 因为钛合金的变形系数也低，切削时刀具与切屑的接触面积小。切屑与前刀面之间的高摩擦也会使切削温度升高，加速刀具前刀面的磨损。
• 不同的加工方法对钛合金的加工难度也不同。加工工序的难易程度，由易到难依次为:车削、铣削、钻孔、磨削、钻小直径深孔。

钛合金加工用刀具材料:

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高热硬度、良好韧性、耐磨性、高导热性和低化学活性的综合性能。铣削时，刀具还应具有良好的抗冲击性。目前生产中加工钛合金的主要刀具材料有硬质合金、聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等。硬质合金和PCD刀具被认为是加工钛合金的理想工具。

钛合金切割的切割原理:

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，造成严重的尖端粘接和磨损。因此，为保证更大的刀具耐用性，应选择合适的切削速度，以降低成本，保证加工质量。
2. 进料深度和通过量:
   改变道次数对温度影响不大，因此减小切削深度，增加道次数是合理的。但要避免硬氧化层和皮下孔层，切割深度应达到基材未氧化的金属层。这将提高工具的使用寿命。
3. 工具几何:
   在切削钛合金时，选择适合加工方法的前角、卸角等几何参数，并对刀尖进行适当的处理，将对切削效率和刀具寿命产生重要影响。转弯时，为改善散热条件，加强切削刃，前倾角一般为5°~9°。为克服回弹引起的摩擦，刀体侧面一般为10°~15°。钻井时，通过缩短钻头长度，增加岩心厚度和导锥数量，可使钻头的耐用性提高数倍。
4. 锁模力:
   钛合金易变形，所以夹紧力不宜过大。特别是在精加工过程中，应选择一定的辅助支撑。
5. 切削液:
   切削液是钛合金加工中不可缺少的工艺润滑剂，但含有氯或其他卤素元素和硫的切削液会对钛合金的力学性能产生不利影响。

由于其优异的性能，钛合金在航空航天工业中的应用比例逐年增加。然而，由于切割成本高，加工效率低，目前的应用仍受到很大限制。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。这将促进钛合金在造船、汽车制造、电子、海洋开发、化工等领域的广泛应用。