浅谈钛合金材料特性及其磨削特点

杨 蒙

（中煤科工集团西安研究院有限公司 陕西 西安 710000）

0 引言

钛金属在地壳中比较丰富，储量超过铜、锌等常见金属。钛合金则是钛和其他金属混合制成的合金材料，具有较高的强度、耐热性和耐腐蚀性[1]。基于这些优良特性，钛合金的应用市场广阔，主要集中在航空航天、生物化学等领域。本文结合相关工作经验，探讨了钛合金材料特性和磨削工艺。

1 钛合金材料的特性

1.1 优点

（1）比强度大。和钢材相比，钛合金材料的强度相当，但密度只有钢材的60%左右，约为4.5 g/cm3；弹性模量远低于钢材，在1.078×105～1.176×105MPa[2-3]。也就是说，钛合金材料的强度和钢材类似，但自重小、弹性好，方便运输吊装和加工制造。得益于这一特性，可制造出刚性好、质量轻的零部件，例如发动机构件、飞机骨架、起落架、紧固件等。

（2）热强度高。钛元素的熔点为1 725 ℃，导热系数为15.24 W/（m·K），中等温度下依然能保持良好的强度。和铝合金相比，环境温度达到150 ℃强度明显降低，而钛合金在450～500 ℃的环境下，依然能达到一定强度要求。

（3）耐腐蚀性强。钛合金材料中的化学成分，和空气中的氮气、氧气发生化学反应，会在材料表面生成保护层，从而提高抗腐蚀性能[4]。针对点蚀、酸蚀、应力腐蚀，具有较强的抵抗力；针对强酸和有机物品，抗腐蚀性良好。

1.2 缺点

（1）高温加工性能差，当环境温度超过一定限度，此时钛合金材料的抗蠕变性变差，继而表现出脆性，不利于材料加工。

（2）冷压加工困难，因为钛合金材料的弹性模量小，冷压加工会出现较大的回弹现象，继而产生震动导致无法成形。

（3）切削难度大，因导热性能较差，切削时不利于散热，切削时因温度升高可能粘附在切削工具上，不仅影响切削质量，还会损伤工具[5]。

（4）精炼、熔融和铸造技术与传统的合金不同，导致钛合金价格昂贵，当前在民生用品领域应用较少。

2 钛合金材料磨削的特点、注意事项和工艺优化

2.1 磨削特点

基于钛合金材料的特性，磨削时具有以下5大特点。

（1）变形系数小。对钛合金材料磨削时，变形系数≤1，由于磨削路程增加，刀具磨损的速度加快。

（2）磨削温度高。钛合金的导热系数小，只有45号钢的1/7～1/5，磨削过程中产生的热量无法及时散发，热量累积在材料本身，尤其是磨削区，超过承受的温度范围就会烧伤工件，合金材料本身也出现损坏。

（3）单位面积切削力大。切削时，钛合金材料和前刀面的接触较短，单位面积上的切削力大，可能出现崩刃现象[6]。另外，钛合金的弹性模量小，虽然整个磨削时间不长，但高温作用明显，温度可达到1 000 ℃以上，造成钛合金变形、弹性振动，影响加工精度。

（4）存在冷硬现象。钛元素的化学活性强，磨削产生的高温环境下，钛合金材料表皮发生化学反应，不仅合金弹性降低，而且表面硬化，加工过程更加复杂，会降低零件的抗疲劳强度。

（5）刀具易粘接磨损。砂轮和钛合金材料在接触过程中，摩擦引起高温，会导致钛合金发生变形，粘附在砂轮上或磨粒脱落，造成砂轮损坏。磨削时产生的热量，容易烧伤工件，刀具的更换频率提高[7]。

以绿碳化硅砂轮磨削钛合金为例，碳化硅会和氧气发生化学反应：SiC+O2→SiO2+C-768 696.48J。反应速度快，会释放大量能量，不仅导致砂轮表面的材料腐蚀、剥落，还可能造成零件表面烧伤。

2.2 注意事项

考虑到钛合金材料的磨削特点，磨削时注意事项总结如下：（1）因为弹性模量小，加工时夹紧、受力易造成变形，会影响加工精度，因此使用工件夹紧时，应合理控制紧固力，必要时使用支承装置进行辅助固定。（2）切削过程中，如果使用的切削液中含有氢，高温状态下会释放出氢气，和钛元素反应后导致表层变脆，或者高温下应力腐蚀而开裂[8]。（3）如果使用氯化物，磨削过程中会挥发有毒气体，提示加工人员采取安全防护措施；加工后清洗零部件时，应使用不含有氯的清洗剂。（4）选择工具、夹具时，不能使用含有铅或锌的合金，而且要保证工具、夹具洁净，不能存在油脂污染。（5）微量切削钛合金时，切下的细小碎屑可能燃烧，为了避免燃烧发生，应及时清理机床上的切削，及时更换刀具，或者调整切削速度。一旦燃烧，使用滑石粉、干粉灭火器扑灭。

2.3 工艺优化

（1）合理选择刀具。对钛合金材料进行磨削加工时，合理选择刀具是第一步，应该从钛合金的材料特性、刀具的材质特征两个方面进行考虑。合适的刀具配合科学的方法，才能提高加工精度质量。结合生产实践，常用的刀具材质有：硬质合金、高速钢、聚晶金刚石、立方氮化硼等。其中，立方氮化硼不仅硬度高，而且可以耐高热，在不少企业中应用；聚晶金刚石的使用，能适应钛合金在磨削时高热、高速的要求，其稳定性较好，目前也广泛应用；涂层刀具的优点，是抗氧化性、抗粘连性较好，能在复杂条件下加工，具有良好的发展前景[9-10]。

（2）改善磨削条件。对钛合金磨削加工时，应改善磨削条件，对机械加工系统进行优化。实际加工时，加工人员应调整机床结构的参数，确保主轴零部件平稳运行，提高产品加工标准。此外，刀具不能长时间使用，应掌握刀具的损耗特征，定期更换刀具[11]。以磨削深度和砂轮速度为例，可通过试验确定减少砂轮粘附磨损的磨削参数。使用能谱分析仪对磨削后的砂轮进行分析，计算钛合金相对砂轮的特有成分Al、砂轮中的成分Si比例，从而确定砂轮的粘附率。

切入式磨削，磨削深度就是工件转一周时，相对于砂轮的径向移动距离。在无心磨床上，工件速度Vw和导轮线速度Vc相等，即Vw=Vc，这两者的计算方法是：

使用GC 60 KV砂轮磨削TC4材料，当工件速度为2.5 m/s，磨削距离为100 mm时，通过试验得到砂轮粘附率见表1。分析可知：对TC4材料磨削时，最佳磨削深度为0.05～0.1 mm，最佳砂轮速度为25 m/s，此时砂轮粘附率最小。

表1 砂轮粘附率试验结果统计表

（3）控制切削范围。钛合金材料切削时，控制切削范围需要注意以下几点：首先控制好切削速度，不仅影响刀具的切削强度，也关系到刀刃的使用寿命。其次控制好切削深度，一般来说切削深度不能太浅。加工作业中，适当减慢切削速度，并增加切削深度，有助于提高切削质量。

（4）改造冷却方式

针对当前冷却润滑系统的缺陷，我们通过技术改造研发出一套新型的冷却润滑系统，改造要点是：①在主喷嘴的基础上，加装一个辅助喷嘴，能隔离回转气流；②在砂轮对应方向上，加装一个高压喷嘴，用于清洗工件。改造后，能防止钛合金工件的废屑积聚在砂轮表面。为了确保液体供应，我们对供液压力、流量、喷嘴结构及尺寸等指标进行优化，配合高效率的吸风排风装置，防止油雾喷溅。以GC 60 KV砂轮磨削TC4材料为例，对比改造后的冷却效果见表2。分析可知：增加辅助喷嘴和清洗喷嘴，能减轻砂轮磨损，防止零件表面烧伤，并且有助于提高零件的圆度指标。

表2 冷却系统改造效果比较

3 无心磨削技术在钛合金材料加工中的应用

3.1 无心磨削特点

磨削工艺中，无心磨削是一种特殊类型，工件在无心磨床上，只有磨削点被磨削，而支承点没有被磨削，工件本身会不断变化。钛合金采用无心磨削技术，因工件中心没有定位，容易造成磨削外圆不圆的问题。因此，企业和加工人员关注的重点，是工件如何被磨圆。

3.2 无心磨削成圆理论

无心磨削时，钛合金工件的被磨削表面、定位表面，都是工件表面。第1圈，工件原始表面误差为Δ0，和导轮、托板接触时的定位误差为ΔF，这两者联合作用并反映到磨削点上，工件表面磨削后的加工误差就是Δ1。第2圈，以上误差再次出现，最终形成加工误差Δ2。以此类推，随着磨削进行，工件转过第m圈，加工误差就是Δm。而且，这些加工误差的关系见式5。

也就是说，无心磨削过程中，钛合金工件会越磨越圆，加工误差也会越来越小。然而，这一结论是在理想状态下，实际上工件表面并不光滑，微观上看是凹凸起伏的，要想使工件磨圆，就要多磨凸起处，不磨或少磨低凹处，才能提高磨削精度。工件存在原始表面误差，定位时发生位移是定位误差，这两者之和就是合成误差。为了减少合成误差，采取的措施包括：

第一，提高磨削前半成品的外圆质量。对比数控车床和六角车床对半成品进行加工，前者加工后的圆度误差更小，仅有0.007～0.008 mm；而后者因加工精度低，圆度误差达到0.01～0.02 mm。因此，半成品在磨削前，首先减小原始误差，就能减小磨削后的圆度误差。

第二，提高托板的制造质量。托板的平面度越高，定位误差越小，零件加工的圆度误差越小。试验数据显示：托板支撑斜面的平面度，从0.002 mm变为0.0004 mm，工件表面的粗糙度从Ra1.6提升至Ra0.8。另外，也可以在托板支撑面上，使用镶嵌式的硬质合金，提高托板的耐磨性，减小磨损引起的定位误差。

第三，清理砂轮表面的残留物。使用高压清洗装置，对砂轮表面的粘附物进行及时清洗，有助于减小定位误差。一方面合理选择砂轮参数，优化设备的冷却润滑系统；另一方面可增加驱动器，促使无心磨床对砂轮进行自动修整，去除砂轮表面的粘附物，对误差进行自动补偿[12]。

3.3 应用成果

以某钛合金材料为例，是D型螺栓材料，牌号为TC4，原形态是棒料，加工工艺流程是：热处理→加工外形→加工平端面及倒角→铣扁→滚压螺纹→去毛刺→磨外圆。在磨外圆环节，采用无心磨削工艺，要求圆度达到0.004 mm，表面粗糙度为0.8。

砂轮和磨削参数确定如下：①砂轮选用绿碳化硅材料，粒度为60粒，硬度选择K级，砂轮代号为GC 60 KV。②砂轮规格：外径455 mm，宽度80 mm，孔径228.6 mm。③砂轮速度为25 m/s，转速为1 050 r/min。④进给量粗磨时为0.02 mm/str，精磨时为0.001 mm/str。⑤磨削余量粗磨时为0.15 mm，精磨时为0.05 mm，将圆度误差控制在0.01 mm以内。⑥无心磨床型号是CM100-D，设备主轴为高精度的极限间隙滚动轴承，并且配置清洗装置。⑦砂轮自动修整、自动进给补偿、自动上下料，经过编程实现。

常规加工作业时，使用白刚玉砂轮磨削，砂轮磨损严重，而且加工效率低，批量加工时还易造成工件烧伤现象，烧伤率为15%；圆度要求合格率仅为50%～80%。通过优化砂轮参数，控制磨削用量，重新对设备进行编程，结果显示工件加工后圆度合格率为98%，不仅满足圆度要求，而且表面没有烧伤现象，可见优化工艺后的成果显著，见表2。

表2 工艺改进前后的磨削结果比较

4 结语

综上所述，钛合金材料刚度强度大、热强度高、耐腐蚀性强，具有广阔的应用市场。结合钛合金材料的磨削特点和注意事项，合理选择刀具，改善磨削条件，控制切削范围，能提高磨削精度和质量。本文以无心磨削工艺为例，工艺改进后不仅满足圆度要求，而且表面没有烧伤现象，是一种安全可行的磨削工艺，具有较高的推广价值。在未来，随着钛合金材料的应用范围更加广泛，为了保证材料特性，对于加工环节提出更高要求。对钛合金材料进行磨削加工时，只有不断改进工艺，优化设备仪器，加强质量管理，才能获得高精度、高性能的钛合金工件，为后续生产制造打下坚实基础。