浅谈钛合金在切削加工中的特性

王玉春，田永久，江 帆

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

1 钛合金的金属属性及化学特点

钛合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右，仅为钢的60%，纯钛的密度才接近普通钢的密度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。另外在汽车零部件、医疗器械、电子3C行业，钛合金也有广泛的应用[1]。

钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。

2 钛合金切削性能和自身特性

钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。下面分析一下钛合金的自身特性：

第一，钛合金部件的变形系数较小，几乎为1或者无限接近于1。那么在切削过程中会由于前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，从而加大了刀头的磨损。降低刀具的使命寿命。

第二，由于钛合金自身具备热导系数低的特点，那么如果在切削过程中，温度过高，会使切削加工的过程中产生的热量是不容易传导出来的，温度会在切削接触处以及切削变形区域，如果导致切削刃的刃口位置的温度较高会降低切削刀具的使用寿命。在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。

第三，单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小20%，由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。

第四，由于钛的特殊化学性质，使得钛合金在较高的切削温度下容易与空气中的氮气、氧气结合形成较为清脆的外表皮，更重要的是在切削的过程中由于塑性变形也会造成表面硬化。由于以上两种情况会导致钛合金部件的疲劳强度降低，影响寿命周期，也会缩短切削刀具的使用时间。

图1 高温下钛合金切削后形态

第五，在切削过程中，由于钛合金部件毛坯件在冲压、锻造、热轧等工序后容易导致不均匀的硬脆外皮，非常容易导致崩刃，所以在太合金部件切削之前需要清楚硬脆的外皮，这个工序是非常困难的。同时钛合金对刀具有一定的粘结，在化学中也叫亲和性，在切削过程中由于温度升高会这导致粘结，刀具受损，降低使用寿命[2-4]。

由于钛合金自身的化学特性，导热系数较差，所以在切削加工的过程中产生的热量是不容易传导出来的，温度会在切削接触处以及切削变形区域，如果导致切削刃的刃口位置的温度较高会降低切削刀具的使用寿命。对于钛合金Ti6Al4V来说，在不考虑切削机床功率及切削刀材质的情况下，切削过程温度的高低是影响刀具使用寿命的直接和关键因素。

表1 钛合金的化学组成成分

表2 钛合金在不同温度下的性能

3 钛合金在切削过程中工具的选择

钛合金在切削加工过程中需要考虑两方面内容：减少粘结、有效降低切削温度。同时在选取加工刀具时要倾向于：抗弯强度高、导热性强、硬度高的，同时要与钛合金和性差的材料为加工刀具。那么采用硬质的刀具是比较好的选择，质硬又能耐热是最为钛合金制品最好的切削工具了。在化学性质上，可以了解到YT类的硬质金属容易与钛合金产生融合效果，这种情况会使刀具产生粘结现象，所以不适合用于钛合金制品的切削。对于复杂、多刃刀具，可选用高钒高速钢(如W12Cr4V4Mo)、高钴高速钢(如W2Mo9Cr4VCo8)或铝高速钢(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料，适于制作切削钛合金的钻头、铰刀、立铣刀、拉刀、丝锥等刀具[5]。

图2 钛合金切削使用的刀具

4 钛合金在切削过程中的预防措施

由于钛合金本身具备比强度高、耐腐蚀性极好，同时又具备极好的机械性能所以在切削的过程中需要预防和避免以下几个方面：

1.预防变形。钛合金具有比强度大、弹性模量小，同时机械性能和耐腐蚀性能都比较强，由于自身的化学特性，钛合金部件在加工过程中容易出现变形，从而降低加工精度，，所以在加工过程一定要注意夹具不可过紧，造成不必要的变形，必要时需要采取辅助支撑，降低夹具对其的应力[6]。

2.预防产生氢而引起腐蚀。切削液有两种含氢和不含氢两种，在切削过程中尽量使用不含氢的，由于在切削过程中出现高温，高温下分解产生的氢气容易被钛吸收形成氢脆，钛合金制品在高温下容易产生腐蚀。

3.注意防止有毒害物质。切削液中是含有氯化物成分的，众所周知氯化物是有毒的，可以分解和会发出有毒害气体。所以在使用的过程中需要具备安全防护措施，佩戴安全防护设备。切削后的需要及时用不含氯化物的清洗液对部件进行彻底清洗，彻底清洗部避免氯化物的留存。

4.禁止其他金属的使用。在化学成分中，铅、锌基合金成分的金属工具、工装、夹具等不允许与钛合金接触和使用，会有一定的危险。

5.确保切削工具的清洁。在钛合金切削的过程中，与其接触的相关所有工装、工具、夹具等设备装置都需要清洁无污物，钛合金部件需要经过仔细清洗，操作过程中需要佩戴手套确保表面无油脂污染、无指印污染，避免造成后期腐蚀[7]。

6.预防产生爆炸等风险。通常情况来说，在钛合金部件发生切削过程中是不存在产生火灾的危险，但是如果是微量切削可能会存在一切细小切屑，会有一定的发火燃烧的可能性。为了杜绝可能引起的火灾风险，可以通过：一是浇注切削液、清理机床上的堆积切屑、及时更换新刀具、有效降低切削频率、有效增加切削厚度等方式来有效避免引起火灾风险。因为一定引起了火灾会导致结果很恶劣。如果突发火灾情况需要立即用滑石粉、石灰石粉末、干砂等灭火器材进行扑灭，严禁使用四氯化碳、二氧化碳灭火器，也不能浇水，因为水能加速燃烧，甚至导致氢爆炸。