程旭

摘 要 鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。它具有強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗蝕性好、低溫性能好、化學(xué)活性大、導(dǎo)熱彈性小等特點(diǎn)，是飛機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)理想的制造材料，除此之外鈦合金的用途非常多，其密度小、強(qiáng)度大、耐腐蝕的特點(diǎn)，密度大概是不銹鋼的一半強(qiáng)度卻略高于不銹鋼，這點(diǎn)在極限自行車、賽車上的高檔零件都有用到，甚至俄羅斯的塞拉級(jí)核潛艇耐壓殼采用鈦合金制造具有低磁性特征和較大潛深，可下潛1000米。但由于其切削加工性差，長期以來在很大程度上制約了它的應(yīng)用。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展，近年來，鈦合金已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)、整流罩、排氣裝置及飛機(jī)大梁框架結(jié)構(gòu)件的制造。

關(guān)鍵詞 高強(qiáng)度；切削加工性差；鈦清理

前言

鈦合金具有高強(qiáng)度而密度又小，機(jī)械性能好，韌性和抗蝕性能好，另外鈦合金的工藝性差，切削加工困難，在熱加工中非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差，鈦合金硬度大于HB350時(shí)，由于硬度大切削加工困難，刀具磨損嚴(yán)重，但是硬度小于HB300時(shí)則容易出現(xiàn)下屑粘刀現(xiàn)象，降低表面加工質(zhì)量，也是難以切削[1]。

1 零件分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析

該軸承機(jī)匣為典型環(huán)形鈦合金件，為定子結(jié)構(gòu)件，最大外圓為φ519mm，高為51mm，壁厚最小處為7mm，典型分析如下：

（1）大端有40個(gè)螺栓孔，由于是結(jié)構(gòu)件大端在兩孔之間銑花邊去除多于重量。

（2）小端60個(gè)螺栓孔。

（3）中間20個(gè)減重孔

1.2 加工難點(diǎn)[2]

（1）由于鈦合金變形系數(shù)小，切屑在前刀面上滑動(dòng)摩擦的路程大大增大，加速刀具磨損。

（2）由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小，切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量不易傳出，使得熱量存在切削區(qū)和切削刃附近比較小的范圍內(nèi)使得局部溫度升高，造成刀具融化零件表面燒傷變色。

（3）零件表面易被污染腐蝕，由于鈦合金裸露在空氣中在機(jī)加車間存在大量其他金屬雜質(zhì)，使得鈦合金表面易附著其他材料金屬離子，腐蝕表面：

（4）由于鈦合金化學(xué)活性大，加工過程中又易在局部產(chǎn)生高溫，在高溫環(huán)境下鈦與空氣中的氧氣氮?dú)夥磻?yīng)生成硬且脆的氧化膜，此氧化膜不僅能降低零件的疲勞強(qiáng)度，而且會(huì)加劇刀具的磨損。

2 加工難點(diǎn)解決方案

2.1 刀具磨損嚴(yán)重解決方案

首先是刀具及加工參數(shù)的選用：選用在高溫高壓下能承受交變載荷，抗磨抗熱性很好的硬質(zhì)合金牌號(hào)。實(shí)踐證明選擇具有足夠的高溫硬度和強(qiáng)度，耐磨性好及導(dǎo)熱系數(shù)大的細(xì)粒硬質(zhì)合金刀片。立方氮化硼刀片CBN刀片如YG6X、YA6適用于半精加工及精加工，當(dāng)?shù)退俅旨庸r(shí)，則易選用強(qiáng)度高，耐沖擊的YG8或超細(xì)硬質(zhì)合金YG10H。YT類合金不能用于加工鈦合金，因?yàn)樵诟邷厍邢鬟^程中這兩種材料容易發(fā)生親和作用，使刀片磨損特別嚴(yán)重。參數(shù)的選用：車削鈦合金時(shí)，刀具磨損劇烈的主要原因是切削速度V，因此切削速度一般不宜超過50m/min。斷屑車削時(shí)，切削速度還要降低。進(jìn)給一般0.1-0.3mm/r。如進(jìn)給過大，會(huì)使切削溫度升高，刀具耐用度下降；進(jìn)給過小會(huì)使很薄的切屑極易氧化燃燒。

2.2 表面燒傷變色解決方案

由于鈦導(dǎo)熱系數(shù)?。杭s為鎳合金的25%鐵的20%鋁的7%，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)還要下降約50%左，加之鈦合金的彈性模量小，加工時(shí)切屑表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面劇烈摩擦、黏附、磨損[3]，在此過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量切屑不能及時(shí)帶走造成零件表面局部高溫表面燒傷變色，除了上述刀具選用方法之外，還要使用相應(yīng)的冷卻液，冷卻液不能與別的材料的零件共同使用，冷卻液要具備良好的冷卻性能、潤滑性能、防銹性能、除油清洗功能、防腐功能、易稀釋特點(diǎn)。車床的供液噴嘴應(yīng)盡可能做到一個(gè)噴嘴在道具前部和后部，他們一同冷卻刀具和工件。及時(shí)將切削產(chǎn)生的熱量帶走。

2.3 表面易污染的解決方案

由于在機(jī)加車間內(nèi)存在各種金屬材料，機(jī)加過程產(chǎn)生的廢屑很有可能附著到鈦合金零件表面，由于鈦合金對(duì)許多金屬元素離子非常敏感，尤其是鐵元素（而鐵元素又是車間存在最多的元素）。如果不清理干凈，零件很快會(huì)被腐蝕掉，一般用兩種方法：①丙酮或者酒精清洗； ②如果丙酮無法清洗干凈的話，說明這個(gè)污染是強(qiáng)力附著的，或者是由于高溫原因產(chǎn)生的，需要用酸洗，一般使用含有10%～30%的硝酸0.4%～4%的氫氟酸的溶液進(jìn)行酸洗就可以。

3 結(jié)束語

通過此任務(wù)的展開，對(duì)鈦合金的材料特性、機(jī)加過程存在的問題、加工難點(diǎn)等做出了簡單的分析并真對(duì)加工難點(diǎn)根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提供了較為詳細(xì)的解決方案，在鈦合金零件冷加工方面取得了一定的加工經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 宣安光.現(xiàn)代制造技術(shù)與數(shù)控加工設(shè)備的發(fā)展[J].杭州機(jī)械，2000， （3）：2-6.

[2] 陳本柱.航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷加工工藝的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空制造技術(shù)，1995，（2）：33-36.

[3]《航空制造工程手冊(cè)》總編委員會(huì).航空制造工程手冊(cè)：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工[M].北京：航空工業(yè)出版社，1997：34.