淺析鈦合金孔加工技術

沈響

摘 要：鈦合金材料具有密度小，硬度和比強度高，抗腐性能強等優點，在航空、航天領域中得到廣泛的應用。但其加工性能較差，在很大程度上制約著鈦合金零件加工質量和生產效率，尤其在鉆孔和攻絲方面表現較突出。文章主要敘述鈦合金的性能特點，分析影響鈦合金孔鉆削加工的因素，并提出改進鈦合金孔鉆削加工的相應措施。

關鍵詞：鈦合金；孔加工；加工技術

1 鈦合金性能特點

鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質異晶體：882℃以下為密排六方結構α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。鈦合金元素根據它們對相變溫度的影響可分為三類：α鈦合金，β鈦合金和α+β鈦合金。由于合金組織穩定，高溫變形性能、韌性、塑性較好，是航空業重要的原材料。鈦合金特點主要表現在：

1.1 強度高、熱強度高、耐蝕性好

鈦合金的密度一般在4.5g/cm3左右，僅為鋼的60%，但鈦合金的比強度（強度/密度）遠大于其他金屬結構材料。其次，鈦合金熱穩定性好，在中等溫度下仍能保持所要求的強度，在300℃～500℃條性下，仍有很高的比強度，約為鋁合金的3～4倍。鈦合金對應力腐蝕的抵抗力特別強，且表面形成的致密的氧化膜對酸、堿、氯化物、氯的有機物品具有優良的抗蝕能力。因此在飛機的發動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等方面都有對鈦合金使用。

1.2 導熱性能差

鈦的導熱系數λ=15.24W/（m.K）約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降50%，因而散熱慢，不利于熱均衡，特別是在鉆削加工過程中，散熱和冷卻效果更差，在切削區易形成高溫。

1.3 鈦及其合金化學活性高

鈦及其合金能與空氣中的0、N、H、C0、CO2、水蒸氣等產生化學反應，在鈦合金表面形成TiC及TiN硬化層，使得脆性加大，塑性下降；在高溫高壓下加工，與刀具材料起反應，形成溶敷，擴散而成合金，不利于切削加工。

2 在鈦合金孔加工過程中出現的問題

影響鈦合金孔加工質量的因素有很多。通過了解鈦合金性能特點，分析其加工特性，結合在加工中出現的問題，鈦合金加工的難度主要體現在以下幾點。

（1）在鉆削加工過程中，在鉆削區易形成高溫；再加上鉆頭與前刀面接觸面積小，刀尖應力大，切屑不易排出，鉆削用量不易控制，易造成零件變形和燒刀現象。

（2）鈦合金彈性模量小，在鉆孔時鈦合金在鉆削力作用下產生較大的變形；在完成加工起鉆時，使已加工表面產生較大的回彈，引起加工的零件超差，加工面粗糙。

（3）由于鈦及鈦合金化學活性高，鈦合金親和力大，加之高溫高壓作用，在鉆削時易產生粘刀現象，切屑擠在鉆頭溝槽中不易排出，造成刀具粘接產生積屑瘤，甚至出現扭斷鉆頭等現象。

鑒于鈦合金孔在加工中易山現上述等問題，在鈦合金加工中需要改進加工方法，通過改進工具來提高鈦合金加工孔的質量和加工效率。

3 提高鈦合金孔加工質量的措施

由于鈦合金在孔加工時易出現高溫區、燒蝕刀具，產生積屑瘤，零件超差，加工面粗糙等現象，在孔的加工中可以從以下幾個方面來提高孔的質量和加工效率。

3.1 選擇合適的鉆頭和工具

（1）經不同材料的鉆頭試驗分析，超細品粒硬質合金鉆頭加工鈦合金時刃口鋒利、磨損小，效率有了顯著的提高，是比較理想的刃具材料，如果沒有條件可以選擇高速鋼M42，B201或硬質合金鉆頭。

（2）在鉆頭上設計四條導向刃，可以增加鉆頭的截面慣性矩，提高剛性，其耐用度比標準鉆頭高3倍左右。同時由于導向穩定減小了孔擴張量，如Ф3mm的四條導向刃鉆頭孔擴張量僅為0.03mm，而標準鉆頭為0.06 mm。

（3）采用“S”形或“X”形修磨鉆頭橫刃，橫刃長度為0.08～0.1鉆頭直徑，同時保證橫刃的對稱度小于0.05mm。兩種形式的橫刃均可形成第二切削刃，起到分屑作用和減小在鉆孔時的軸向力。

（4）選擇適宜的槍鉆：在鉆鈦合金長徑比大于5的深孔時，當孔徑小于等于30mm時，一般采用硬質合金槍鉆；當孔徑大于30mm時，采用硬質合金鉆頭或噴吸鉆等。

3.2 選擇正確的切削液

選用適合鈦合金加工的冷卻方式，進行有效的冷卻，可延長切削刀具的壽命，提高加工效率。

（1）在鉆淺孔時可選用電解切削液，其成分為三乙醇胺，癸二酸，硼酸，亞硝酸鈉，甘油和水。

（2）在鉆深孔時，因為水在高溫下可能在切削刃上形成蒸汽氣泡，易產生積屑瘤，使鉆孔不穩定，不宜選用水基切削液。一般采用豆油，必要時可加入鉆孔攻絲專用油和添加劑為切削液，經高壓空氣油霧器霧化后，通孔道直接將冷卻氣霧送至切削區域，進行冷卻和潤滑，且切屑易排出鉆頭，獲得更佳的冷卻潤滑效果。

3.3 采用合理的加工方式

鈦合金的性能特點要求鉆削在加工時鈦合金需采用合適的方式。一般采用低轉速，適中的進給量；在加工深孔時要勤退刀并及時清除切屑，注意切屑的形狀和顏色。如在鉆削過程中切屑出羽狀或顏色變化時，表明鉆頭已鈍，應及時換磨刀刃。

為了提高工藝系統剛性，鉆模應固定在工作臺上，鉆模引導宜貼近加工表面，盡量使用短鉆頭；當采取手動進給時，鉆頭不得在孔中不進不退，否則鉆刃摩擦加工表面，造成加工硬化，使鉆頭變鈍，影響孔的質量和加工效率。

4 結束語

鈦合金材料在航空、航天領域中被廣泛應用。但其較差的加工性能，制約著鈦合金零件加工質量和生產效率，尤其在鉆孔和攻絲方面表現較突出。因此在孔加工方面提出合理的加工方式，加工方法，加工工具可以改善孔的加工質量，提高加工效率。

參考文獻

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