引言

作為一種重要的結(jié)構(gòu)金屬,鈦合金材料在20世紀(jì)50-60年代得到了世界各國(guó)的廣泛應(yīng)用，并在多個(gè)重要領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。正因鈦合金材料具有一定的特殊性質(zhì)，因此，對(duì)鈦絲、鈦棒、鈦板等鈦合金材料的機(jī)械加工工藝的分析研究需要嚴(yán)格遵循鈦合金材料的機(jī)械加工原則。為了保證經(jīng)過(guò)機(jī)械加工后的鈦合金材料可以滿足實(shí)際使用需求，在實(shí)際加工過(guò)程中應(yīng)合理選擇切割刀具的材料,并設(shè)置合理的加工幾何參數(shù)，最后選擇合適的機(jī)械加工工藝。

1、鈦合金材料的特性及應(yīng)用

1.1鈦合金材料特性

作為一種新型的、性能良好的金屬材料,鈦合金一經(jīng)問(wèn)世，便憑借其良好的材料特性在汽車、醫(yī)療設(shè)施、航空航天、體育用品等各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,這與鈦合金材料中本身所含有的氫、碳、氮、氧等元素含量有著宜接的關(guān)系。本文簡(jiǎn)要總結(jié)了鈦合金材料所具有的特殊性質(zhì)，具體如下。

1.1.1鈦合金材料具有低密度的特性

鈦合金材料的密度僅僅是鋼材料密度的60%,并且鈦合金材料的強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大部分的合金結(jié)構(gòu)鋼，因此，鈦合金材料可以完美地替代合金鋼材料,并具有比合金鋼材料更輕的質(zhì)量，從而符合一些大型結(jié)構(gòu)件減輕重量的需求。

1.1.2鈦合金材料低溫性能較好

經(jīng)實(shí)踐證明,在零下253攝氏度的超低溫環(huán)境下,鈦合金材料仍能保持良好的力學(xué)性能，并具有一定的可塑性，因此，鈦合金材料是一種非常重要的、適用于低溫或超低溫環(huán)境的結(jié)構(gòu)材料。

1.1.3鈦合金材料熱溫度較高

鈦絲、鈦棒、鈦板等鈦合金材料不僅具有良好的低溫性能，同時(shí)也具有較高的熱強(qiáng)度。實(shí)踐證明，鈦合金材料在超過(guò)500攝氏度的高溫環(huán)境下仍可以保持較長(zhǎng)時(shí)間的工作，因此鈦合金材料可以被廣泛地應(yīng)用于高溫環(huán)境作業(yè)。

1.1.4鈦合金材料具有抗腐蝕性

在潮濕、腐蝕元素角度的環(huán)境下，鈦合金材料所表現(xiàn)出來(lái)的抗腐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不銹鋼金屬材料，因此鈦合金被廣泛地應(yīng)用于海水、硝酸、硫酸等氧化物含量豐富的環(huán)境中，最常見(jiàn)的應(yīng)用即船只。

1.2鈦合金材料的應(yīng)用

(1) 航空航天領(lǐng)域:美國(guó)在航空鈦合金應(yīng)用方面起步較早且較為成熟，其在80年代后設(shè)計(jì)的各種先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)中運(yùn)用了 20%以上的鈦合金材料。如第三代戰(zhàn)機(jī)F15中鈦合金材料占總材料的27%,而第四代戰(zhàn)機(jī)F22的鈦合金材料占總量比例已經(jīng)高達(dá)41%。

(2) 化工裝備領(lǐng)域:鈦合金耐腐蝕的特性使其已成為化工裝備中主要的防腐蝕材料之一。鈦制化工設(shè)備最早應(yīng)用在純堿與燒堿工業(yè)，但目前已經(jīng)擴(kuò)展到氯酸鹽、氯化錢、尿素、有機(jī)合成及精細(xì)化工等行業(yè)。目前,鈦制換熱器占國(guó)產(chǎn)鈦制化工設(shè)備總量的絕大部分,其次是鈦陽(yáng)極和鈦制容器，比例分別為56.66%、20.41%、 16.28%,剩余為其他鈦制設(shè)備約占6.65%。

(3) 生物醫(yī)療領(lǐng)域:鈦合金材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用最早可追溯到20世紀(jì)40年代初,Bothe等人首先發(fā)現(xiàn)純鈦與老鼠股骨之間具有良好的生物相容性 ，Leventhal 10年后又進(jìn)一步證實(shí)了純鈦具有良好的生物相容特性。Branemark于1969年成功地將純鈦用于口腔種植體，隨后a型鈦合金在臨床上也成功運(yùn)用于股骨和脛骨替換材料，促進(jìn)了鈦合金作為醫(yī)療植入件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用。

2、鈦合金材料機(jī)械加工技術(shù)

2.1鈦合金材料機(jī)械加工難點(diǎn)

作為典型的難加工材料，具有較為活潑化學(xué)性質(zhì)的鈦合金在高溫狀態(tài)下易與氧氣、二氧化碳、氮?dú)獾劝l(fā)生反應(yīng)并形成脆硬層,從而降低鈦合金的塑性,增大刀具對(duì)鈦合金基體材料的切削難度。此外，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小,其熱導(dǎo)率不到碳鋼的五分之一,使用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法切削時(shí)熱量不易散發(fā),工件局部溫度快速上升,導(dǎo)致刀尖急劇磨損，刀具使用壽命大大降低。切屑流經(jīng)前刀面時(shí)摩擦力很大，且切屑與刀具容易發(fā)生粘接，進(jìn)而加劇了刀具的磨損。常見(jiàn)的刀具磨損形式有月牙洼形前刀面磨損、邊界磨損、微崩刃、后刀面磨損以及刀 具破損等。

因此,鈦合金材料在切削加工過(guò)程中，選用的刀具材料、切削條件等都會(huì)對(duì)鈦合金的切削加工效率和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生很大影響。刀具應(yīng)具有耐磨性好、熱硬性高，韌性高等特點(diǎn)。同時(shí)，改善切削條件也十分重要，刀具切削部分要盡量短，在保證足夠容屑的情況下盡量加大切削刃的厚度,提高刀具的強(qiáng)度和剛性，從而在一定程度上增加了傳統(tǒng)機(jī)械加工方法加工鈦合金材料的難度和成本。

2.2鈦合金材料機(jī)械加工技術(shù)研究現(xiàn)狀

李亮等人研究了鈦合金銃削過(guò)程中切削溫度峰值與切削力之間的關(guān)系，結(jié)果表明切削溫度分支滯后于切削力峰值。Narutaki全面研究了鈦合金TC4銃削和車削過(guò)程中切削力和切削溫度的變化，并證明在小于200m/min的切削速度下，鈦合金切削力低于同等條件下切削碳鋼的切削力，但切削溫度遠(yuǎn)高于切削碳鋼時(shí)的溫度，這表明導(dǎo)致鈦合金切削加工過(guò)程中刀具磨損的主要原因是切削溫度。

Jawaid等人研究發(fā)現(xiàn)高速車削鈦合金時(shí),WC硬質(zhì)合金刀具主要以后刀面的擴(kuò)散磨損為主。而使用PCBN刀具加工鈦合金時(shí),刀具的主要磨損形式為塑性變形，而使用含鈦化物的硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金時(shí)，刀具主要發(fā)生后刀面磨損及粘結(jié)磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)崩刃等情況。張琳等人針對(duì)鈦合金切削特性從刀具選用、切削參數(shù)、冷卻液等多方面對(duì)鈦合金材料車削及銃削工藝進(jìn)行分析，總結(jié)出了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2.3鈦合金材料的機(jī)械加工原則

科學(xué)合理的機(jī)械加工原則是保證鈦合金材料機(jī)械加工水平的基本要求。若鈦合金材料在機(jī)械加工的過(guò)程中沒(méi)有嚴(yán)格遵循加工原則，那么也就無(wú)法保障機(jī)械加工出的鈦合金產(chǎn)品質(zhì)量。因此在進(jìn)行鈦合金材料機(jī)械加工原則的分析前，對(duì)鈦合金材料的機(jī)械加工原則進(jìn)行明確是十分有必要的。

2.3.1合理選擇刀具材料

作為鈦合金材料機(jī)械加工過(guò)程中的核心工具,刀具的選擇是十分重要的，因此應(yīng)充分結(jié)合鈦合金材料的特性，選擇合適的刀具材料。在刀具材料的選擇上，不僅需要綜合考慮所采用的切割方法、所涉及到加工技術(shù)，同時(shí)還需要充分考慮刀具材料的經(jīng)濟(jì)性,這樣才能真正保證刀具材料選擇的合理性，在切實(shí)保障鈦合金材料機(jī)械加工的質(zhì)量的同時(shí)，保證加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3.2優(yōu)化切削條件

在對(duì)鈦合金材料進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，為了充分滿足機(jī)械加工系統(tǒng)的實(shí)際需求，就需要最大限度地提高機(jī)械加工切削條件的質(zhì)量。優(yōu)化切削條件中最重要的一個(gè)步驟即工作人員合理調(diào)整機(jī)械加工機(jī)床結(jié)構(gòu)之間的間隙，從而減少在機(jī)械加工過(guò)程中所產(chǎn)生的機(jī)床主軸部件震動(dòng)，進(jìn)而提高鈦合金材料的機(jī)械加工質(zhì)量。另外，為了提高刀具的硬度以及強(qiáng)度,還需要適當(dāng)?shù)貙?duì)刀具進(jìn)行調(diào)整,如減少刀具切削長(zhǎng)度,增加刀具厚度等,這樣不僅可以提高切削效率，同時(shí)還可以降低刀具損耗，延長(zhǎng)刀具的使用時(shí)間。

2.3.3在合理范圍內(nèi)控制切削量

由于鈦合金材料相比于其他金屬材料來(lái)說(shuō)具有較多的特殊性，因此鈦合金材料的機(jī)械加工也不同于其他材料的加工叫如，鈦合金材料的機(jī)械加工應(yīng)合理控制鈦合金材料的切削量，并且切削量的控制無(wú)法按照其他金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)。

鈦合金材料機(jī)械加工中切削量的控制可以從以下幾個(gè)方面入手:首先，合理控制切削速度。過(guò)快的切削速度必然伴隨著大量的熱量產(chǎn)生,使刀具的溫度增加。

當(dāng)?shù)毒叩臏囟瘸^(guò)合理范圍時(shí)，刀具的硬度與強(qiáng)度都會(huì)受到影響,從而對(duì)刀具造成不可逆的損傷，增加加工成本,以此應(yīng)適當(dāng)降低切削速度。其次,合理控制切削深度。在對(duì)鈦合金材料的機(jī)械加工過(guò)程中，切削深度的變化不會(huì)造成切削溫度的變化，因此，當(dāng)切削速度降低后，可以適當(dāng)增加切削深度，從而保證鈦合金材料的機(jī)械加工效率。其中需要著重注意的一點(diǎn)是，在進(jìn)行粗車操作時(shí)，應(yīng)保證刀具的刀刃完全進(jìn)入被加工材料的表面,從而避免對(duì)刀刃造成損傷。最后，切忌在切削過(guò)程中停止走刀,一旦在切削過(guò)程中停止走刀，就可能會(huì)導(dǎo)致刀刃與鈦合金材料之間的摩擦力，使鈦合金材料出現(xiàn)表面硬化的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致機(jī)械加工后的鈦合金材料無(wú)法使用。

3、鈦合金材料機(jī)械加工工藝分析

目前來(lái)說(shuō)，常用的鈦合金材料機(jī)械加工方法為車削、鉆削、攻絲、電火花等。而不同情況下的鈦合金材料機(jī)械加工,需要采用不同的加工工藝。機(jī)械加工工藝選擇的合理與否，將直接決定著鈦合金材料的機(jī)械加工效果與效率，同時(shí)也可以為加工企業(yè)節(jié)約成本，接下來(lái)，從切削液、刀具材料、工藝參數(shù)三個(gè)方面對(duì)鈦合金材料機(jī)械加工工藝進(jìn)行分析。

3.1切削液

切削液在鈦合金材料機(jī)械加工的過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于鈦合金材料在切削過(guò)程中會(huì)伴隨著大量的切屑與熱量產(chǎn)生，需要切削液來(lái)對(duì)其進(jìn)行合理的處理，因此，切削液的選擇是鈦合金材料機(jī)械加工過(guò)程中的重要工藝之一。有大量實(shí)踐研究表明,科學(xué)合理地選擇切削液可以有效提高鈦合金材料機(jī)械加工的效率，并減少機(jī)械加工過(guò)程中設(shè)備的損耗,提高鈦合金材料的機(jī)械加工質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)鈦合金材料機(jī)械加工通常使用水溶性、堿性、油性的切削液，也有一些國(guó)內(nèi)外企業(yè)采用鹵素潤(rùn)滑冷卻液作為鈦合金材料機(jī)械加工的切削液,這種切削液雖然具有較好的冷卻性,但其長(zhǎng)期使用的話會(huì)在鈦合金材料表面形成一層鹽層，并具有一定的腐蝕性，因此使用這種切削液時(shí)應(yīng)注意定期清理鹽層。還有部分企業(yè)在進(jìn)行鈦合金材料的機(jī)械加工時(shí)采用新型固體潤(rùn)滑劑代替切削液，但這種方式同樣會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害，因此，應(yīng)綜合權(quán)衡利弊,并結(jié)合實(shí)際情況合理選擇切削液氏。

3.2刀具材料

在鈦合金材料機(jī)械加工工藝中，刀具的性能宜接決定著機(jī)械加工的效率與質(zhì)量。由于鈦合金材料具有導(dǎo)熱性差、可塑性不高、硬度較高等特點(diǎn)，并且鈦合金材料的機(jī)械加工環(huán)境具有高溫、高壓等特點(diǎn)，因此刀具材料的選擇非常重要。一般情況下，加工企業(yè)為了控制成本,減少刀具的磨損程度，往往會(huì)選擇一些具有高耐磨性、高硬度的刀具，如表1所示。

3.3刀具的幾何參數(shù)

鈦合金材料機(jī)械加工中所使用的刀具一般有車刀、鉆頭、銃刀、絲錐、餃刀等。進(jìn)行鈦合金材料的粗加工時(shí)應(yīng)保證刀具的幾何參數(shù)，如前后角尺寸等。在對(duì)鈦合金材料進(jìn)行精加工時(shí),應(yīng)保證刀刃沒(méi)有倒棱,從而保證加工出的鈦合金材料尺寸精準(zhǔn)、表面光滑。在使用鉆頭進(jìn)行鈦合金材料的加工時(shí)，應(yīng)保證螺旋角度設(shè)計(jì)的合理性，從而滿足加工時(shí)的冷卻和排屑，同時(shí)還需要保證鉆頭的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。由于銃刀會(huì)與鈦合金材料的表面進(jìn)行宜接接觸，因此應(yīng)謹(jǐn)慎選擇銃刀的設(shè)計(jì)。在使用絲錐進(jìn)行鈦合金材料的加工時(shí)，應(yīng)當(dāng)將前角控制在6度至9度的范圍內(nèi)，后角控制在5度至11度的范圍內(nèi)，錐角控制在5度至7度的范圍內(nèi)，從而防止在加工過(guò)程中出現(xiàn)齒崩與扭斷的現(xiàn)象。

4、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鈦合金已經(jīng)成為當(dāng)今應(yīng)用廣泛的金屬材料之一，并且在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，因此,加強(qiáng)對(duì)鈦合金材料機(jī)械加工工藝的分析研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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