TC4钛合金Word文档格式.docx

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比强度大。

TC4的强度sb=1,012MPa，密度g=4.4×

103，比强度sb/g=23.5，而合金钢的比强度sb/g小于18。

钛合金热导率低。

钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m·

K。

钛合金的弹性模量较低。

TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的1/2，故钛合金加工时容易产生变形。

2 

高速铣削的表面完整性

试验条件 

试件尺寸：

420×

200×

24mm。

铣床：

X5040立式铣床。

刀具：

Y330硬质合金螺旋立铣刀，4齿。

铣削方式：

顺铣，周铣。

铣削参数：

ap=10mm，ae=0.2mm，Vf=100mm/min，n=500r/min（常规铣削参数）；

ap=10mm，ae=0.2mm，Vf=500mm/min，n=2,500r/min（高速铣削）。

铣削表面完整性的检测 

铣削表面下晶粒歪扭层深度检测 

首先对不同铣削参数下的试件取样，从垂直于铣削表面的任意的一个侧面研磨与抛光，然后对其抛光表面腐蚀，便可在金相显微镜下观测到铣削表面下晶粒歪扭程度。

当选用A参数时，钛合金材料加工时表层下会产生较明显的晶粒扭曲现象，晶粒歪扭层深度达7µ

m；

而选用B参数时，晶粒歪扭不明显，晶粒歪扭层深度不到1µ

m。

这表明高速铣削对钛合金晶粒扭曲变形极小，是解决钛合金整体薄壁结构件加工变形的理想加工方法，也是获得少或无变质层表面的可靠手段。

铣削表面残余应力及其分布 

钛合金材料对应力状况非常敏感，特别是加工表面的残余应力及其分布状态对构件是否能合理使用是十分重要的。

已加工表面的残余应力有残余拉应力与残余压应力之别，残余拉应力会降低零件的疲劳强度和使用寿命，而残余压应力有时却能提高零件的疲劳强度和使用寿命。

加工表面各部分残余应力的分布不均匀，也会使工件产生变形，影响工件的形状和尺寸精度。

因此，迫切需要了解和研究钛合金TC4材料高速铣削表面残余应力及其分布。

图1 

低速铣削表面层残余应力的分布 

图2 

高速铣削表面层残余应力的分布

用X射线法测量钛合金铣削表面的残余应力。

低速铣削表面层残余应力及其分布见图1；

高速铣削表面层残余应力及其分布见图2。

从图中可以看出，低速铣削时，表面残余压应力较大，而且沿表层内的拉应力分布梯度也较大，这样引起材料加工后的变形就很大，而且零件在使用中因应力的衰减会产生更大的变形，造成零件不能正常使用。

对于高速铣削表面，表面残余应力相对要小，并且表面内应力分布的梯度小，零件使用时应力变化缓慢，所引起的零件变形也小得多。

由此表明，高速加工技术是薄壁结构件高效加工的可靠手段。

铣削硬化层的检测 

铣削选用A参数时，在干切削条件下，铣削表面硬化层的分布深度与显微硬度的关系如表1所示；

铣削用B参数时，在干切削条件下，铣削表面硬化层的分布深度与显微硬度的关系如表2所示。

表1，2表明，钛合金材料高速铣削比低速铣削表面的显微硬度低得多，与图1，2的结果相吻合，说明高速铣削表面上的晶粒发生歪曲变形较小，冷作硬化程度也很小，而且冷作硬化层的深度很浅。

通过硬化层深度的测试证明了钛合金TC4材料在常用铣削速度下加工的不合理性。

为了提高数控机床的利用率及改善钛合金加工表面的质量，应选用更高速度的加工，尤其对钛合金大型整体壁板和整体框架，高速铣削技术具有其他加工方法无法比拟的优越性。

表1 

低速铣削表面硬化层分布深度与显微硬度的关系深度 

0 

2.5 

5 

7.5 

10 

12.5 

15 

17.5 

显微硬度 

383 

365 

350 

342 

330 

312 

表2 

高速铣削表面硬化层分布深度与显微硬度的关系深度 

1.5 

3 

4 

340 

320 

312

铣削表面粗糙度的检测 

使用GJD-5E型表面粗糙度仪对不同铣削速度下的加工表面进行测试，铣削选用A参数时的表面粗糙度为Ra6.4µ

m，而当铣削选用B参数时，表面粗糙度为Ra0.8µ

显然，高速比低速铣削下的表面粗糙度值要低很多。

结束语

通过对钛合金高速铣削表面完整性的研究可得出以下几点结论：

高速铣削加工技术对于提高钛合金加工效率和改善表面加工质量是非常有效的。

采用高速铣削方法，相对常用铣削速度可使加工效率提高5倍，并使表面粗糙度值大幅度降低。

采用高速铣削方法加工钛合金材料，表面形成的残余压应力比常用铣削速度的低，且表层下所形成的残余应力梯度小，应力分布更合理。

特别是最大拉应力要小得多，在拉应力区应力变化平缓，因此结构件受力后，应力衰减也会较平稳，构件产生的变形就小，这对零件的承载和使用都是有利的。

采用高速铣削加工钛合金TC4，表层金属在形成已加工表面的过程中，发生的塑性变形小，晶粒的歪扭程度小，因而位于极薄的表层中冷作硬化强烈，组织的显微硬度也较高，而沿表面稍向深处延伸，硬化程度会明显减小。

采用高速铣削方法加工钛合金，可以直接获得磨削加工方法所能达到的表面质量，即低应力、低表面粗糙度值和较小的冷作硬化层深度。

钛合金高速表面完整性研究

钛合金加工之决窍

27

　　圆刀片铣刀适用于铣削钛金属，因为它们的主偏角可适当变化。

只要为这些铣刀配备专用刀片并应用正确的切削参数，一般情况下就能提高稳定性和总体性能。

每齿进给量应设定最小值，这一点至关重要。

---钛合金铣削需要合适条件

　　与其他大多数金属材料加工相比，钛加工不仅要求更高，而且限制更多。

这是因为钛合金所具有的冶金特性和材料属性可能会对切削作用和材料本身产生严重影响。

但是，如果选择适当的刀具并正确加以使用，并且按照钛加工要求将机床和配置优化到最佳状态，那么就完全可以满足这些要求，并获得令人满意的高性能和完美结果。

传统钛金属加工过程中碰到的许多问题并非不可避免，只要克服钛属性对加工过程的影响，就能取得成功。

　　钛的各种属性使之成为具有强大吸引力的零件材料，但其中许多属性同时也影响着它的可加工性。

钛具备优良的强度-重量比，其密度通常仅为钢的60％。

钛的弹性系数比钢低，因此质地更坚硬，挠曲度更好。

钛的耐侵蚀性也优于不锈钢，而且导热性低。

这些属性意味着钛金属在加工过程中会产生较高和较集中的切削力。

它容易产生振动而导致切削时出现震颤；

并且，它在切削时还容易与切削刀具材料发生反应，从而加剧月牙洼磨损。

此外，它的导热性差，由于热主要集中在切削区，因此加工钛金属的刀具必须具备高热硬度。

　　稳定性是成功的关键所在

　　某些机加工车间发现钛金属难以有效加工，但这种观点并不代表现代加工方法和刀具的发展趋势。

之所以困难，部分是因为钛金属加工是新兴工艺，缺少可借鉴的经验。

此外，困难通常与期望值及操作者的经验相关，特别是有些人已经习惯了铸铁或低合金钢等材料的加工方式，这些材料的加工要求一般很低。

相比之下，加工钛金属似乎更困难些，因为加工时不能采用同样的刀具和相同的速率，并且刀具的寿命也不同。

即便与某些不锈钢相比，钛金属加工的难度也仍然要高。

我们固然可以说，加工钛金属必须采取不同的切削速度和进给量以及一定的预防措施。

其实与大多数材料相比，钛金属也是一种完全可直接加工的材料。

只要钛工件稳定，装夹牢固，机床的选择正确，动力合适，工况良好，并且配备具有较短刀具悬伸的ISO50主轴，则所有问题都会迎刃而解——只要切削刀具正确的话。

　　但在实际铣削加工中，钛金属加工所需的条件不容易全部满足，因为理想的稳定条件并不总是具备。

此外，许多钛零件的形状复杂，可能包含许多细密或深长的型腔、薄壁、斜面和薄托座。

要想成功加工这样的零件，就需要使用大悬伸、小直径刀具，这都会影响刀具稳定性。

在加工钛金属时，往往更容易出现潜在的稳定性问题。

　　必须考虑振动和热

　　非理想环境还包含其它因素，其中之一就是，大多数机床目前装配的是IS040主轴。

如果高强度地使用机床，就无法长时间保持新刀状态。

此外，如果零件结构较复杂的话，通常就不易有效夹紧。

当然挑战还不止于此，切削工序有时必须用于全槽铣、侧削或轮廓铣削，所有这些都有可能（但并非必定）产生振动及形成较差的切削条件。

重要的是，在设定机床时，必须始终注意提高稳定性以避免振动趋势。

振动会造成刀刃崩碎、刀片损坏并产生不可预见和不一致的结果。

一种改进措施便是采用多级夹紧，使零件更靠近主轴以有助于抵消振动。

由于钛金属在高温下仍能保持其硬度和强度，因而切削刃会遭遇高作用力和应力，再加上切削区中产生的高热，就意味着很可能出现加工硬化，这会导致某些问题产生，特别是不利于后续切削工序。

因此，选择最佳的可转位刀片牌号和槽形是加工能否取得成功的关键。

过去的历史证明，细晶粒非涂层刀片牌号非常适用于钛金属加工；

如今，具有PVD钛涂层的刀片牌号更可大大改进性能。

钛合金的超高速切削加工

09:

21

前言

钛合金具有比重小、热强度高、热稳定性和抗腐蚀性好等特性，广泛用于航空、航天、原子能和化学工业中。

但该材料切削加工困难，一直以来解决钛合金加工效率低、表面质量差的技术难题在不断地探索中，随着先进制造技术愈来愈广泛地应用于制造业，超高速切削技术应用于钛合金的切削加工显现出了明显的优越性。

钛合金的难切削加工性

影响材料切削加工性的主要因素 

一般引起难加工材料切削加工性差的原因主要有以下几种可能因素：

①材料中含有硬度很高的质点。

②硬度或高温硬度高。

③加工硬化大。

④导热性差，切削温度高。

⑤材料强度大，特别是高温强度大。

⑥易与刀具粘接。

⑦化学活性大。

被加工材料可能由于上述一种或几种因素的影响，造成其切削加工性差。

钛合金切削加工性 

钛合金相对切削加工性 

材料切削加工性常采用一定刀具耐用度下切削某种材料所允许的切削速度来衡量。

通常取T=60min，则vT写作v60，若将硬质合金车刀切削碳钢时的v60作为基准，切削其它材料时允许的切削速度为v60’则v60’同v60的比值称为该材料相对切削加工性，钛合金相对切削加工性见表1。

影响切削加工性的因素 

硬度 

高温强度 

硬质点 

加工硬化性 

与刀具粘性 

化学亲和力 

导热性 

切削加工性相对程度 

注各项因素恶化切削加工性的相对程度按次序为1，2，3，4。

钛合金切削加工性分析 

由表1可见，造成钛合金切削加工性差的主要原因是由于钛合金的化学亲和力极大及导热性极差：

①化学亲和力大钛合金在300℃以上高温下极易与刀具材料“亲和”，切削时刀具材料中的一些元素不是溶于钛中，便是与钛起化学作用。

②导热性差，钛合金导热性差，热扩散率很小，切削温度很高。

钛合金的导热系数平均为工业纯钛的一半，导热系数为45钢的1/5～1/7，因而在相同切削条件下，钛合金的切削温度比45钢高1倍以上。

③钛合金切削力虽然不大，约为碳钢的75%，但切屑与刀具前刀面的接触长度却比碳钢小的多，约为碳钢的一半，从而切削钛合金时刀尖所受的应力约为切削碳钢时的1.5倍。

④钛合金加工硬化现象并不很严重，约和低碳钢情况相同。

实验证明，钛合金强度愈大，其切削加工性愈差；

合金中的强化元素Al、 

、Zr、Fe、Mo、Cr等含量愈多，则合金强度愈高，其切削加工性愈差；

钛中杂质氧、氮、碳、氢等产生间隙固溶，使合金强化的能力更强，因而对切削加工性的影响也更大。

钛合金的超高速切削加工

由于钛合金化学亲和力大，导热性差且强度高，使切削温度大幅提高、刀具磨损加剧，用传统的加工方法难以加工。

长期以来，改善钛合金切削加工性的途径一直在探索中，合理选择刀具材料及刀具几何参数、合理制定切削用量、采用适当的切削液等均可在不同程度上提高难加工材料的切削加工性。

迄今已经有了一些方法，常用的有采用专门热处理、加热切削、向切削区引入超声波及振动等，但这些方法普遍存在着效率低、成本高且加工质量难保证等弊端。

这里介绍适宜于钛合金加工的可大幅提高生产效率及加工质量的先进制造工艺技术——超高速切削加工。

超速切削特点及适用范围 

超高速切削加工在切削原理上是对传统切削认识的突破,在切削机理上与常规切削不一样,超高速切削有其自身的特点及适用范围。

工件温升小减小工件热变形 

超高速切削中，产生的热量虽多，但由于切屑从工件上切离的速度快，90%以上的切削热被切屑带走，传给工件的热量很小，工件积累热量极少，因而切削时，工件温度的上升不会超过3℃。

切削力低 

由于切削速度高，使剪切变形区变窄、剪切角增大、变形系数减小和切屑流出速度快，从而可使切削变形减小、切削力降低比常规切削力低30%～90%，刀具耐用度提高70%，特别适合于加工薄壁类刚性差的工件。

材料切除率高加工表面质量高 

超高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5～10倍，这样，单位时间内材料的切除率可提高3～5倍。

另外，随着切削速度的提高，切屑可以被很快切离工件，故残留在表面上的应力很小，由于切削点温度的升高，工件表面鳞刺的高度会显著降低，甚至完全消失。

超高速切削钛合金 

超高速切削钛合金是在高应变率响应的作用下，改善其加工性能，从而得到高的加工质量。

超高速切削钛合金的速度一般控制在150～1000m/min范围。

超高速切削钛合金的关键技术除了切削速度外，还有刀具主轴单元及进给单元制造技术、机床支承及辅助单元制造技术、加工测试技术等诸多因素。

本文主要就超高速切削钛合金过程中对刀具耐用度、加工效率和加工质量等影响极大的刀具材料重点阐述，以寻求刀具与钛合金的最佳匹配。

超高速切削的刀具材料 

由于超高速切削的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍，切削温度很高，因此超高速切削对刀具材料提出了更高的要求主要要求。

刀具材料应具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。

目前国内外用于超高速切削的刀具材料主要有：

涂层硬质合金、TiC（N）基硬质合金、陶瓷刀具、聚晶金刚石PCD和立方氮化硼等。

涂层硬质合金刀具 

涂层刀具是在韧性较好的刀体上，涂履一层或多层耐磨性好的难熔化合物，使刀具既有高的韧性又有很高的硬度和耐磨性，涂层刀具的寿命比未涂层刀具要高2～5倍。

聚晶金刚石刀具 

天然金刚石刀具因性质较脆，容易沿晶体的理体面破裂，导致大块崩刃，很多场合下已被聚晶金刚石（PCD）代替。

PCD是以石墨为原料加入催化剂，经高温高压烧结而成，具有很好的导热性和耐磨性及高的硬度。

聚晶立方氮化硼刀具 

聚晶立方氮化硼（PC 

）是在高温高压下将微细的立方氮化硼（C 

）材料通过结合相烧结在一起的多晶材料，PC 

刀具既具有C 

的优点，也较C 

易制造，所以PC 

得到了很快发展。

PC 

具有很高的热稳定性，可承受1200℃以上的切削温度，且具有很高的硬度和很高的耐磨性。

钛合金对刀具材料的要求 

按照钛合金材料自身的加工特性，要求刀具材料应具有抗变强度高、硬度高、韧性好、热硬性好、耐磨性好及散热性好等性能。

除上述外，由于含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲合，所以决不能用合钛的刀具材料。

超高速切削常用的刀具材料与钛合金的匹配 

刀具材料 

PCD 

涂层硬质合金 

TiC（N）基硬质合金 

陶瓷刀具 

匹配性能 

优 

良 

不合适 

超高速切削钛合金与刀具材料的匹配 

根据钛合金自身对刀具材料的要求及超高速切削对刀具材料提出的特殊要求；

研究发现适宜于超高速切削的几种常用的刀具材料与钛合金的匹配性存在很大差异，见表2。

PCD刀具的性能很适宜于加工钛合金：

①很好的导热性，由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故切削温度低，金刚石的导热系数为硬质合金的1.5～9 

倍。

②较低的热膨胀系数，金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。

③极高的硬度和耐磨性，金刚石刀具在加工高硬度材料时，耐用度为硬质合金刀具的10～100倍，甚至高达几百倍。

结论

采用超高速切削难加工材料钛合金，解决了常规切削钛合金的难题，既保证了加工质量又大幅度提高了生产率，具有良好发展前景。

超高速切削技术用于难加工材料的加工正在逐渐成熟，如何进一步完善超高速切削钛合金的加工技术，是有待进一步研究的课题。

钛合金的加工特点及工艺分析

钛合金材料由于密度小、比强度高、耐高温、抗氧化性能好等特点，在航空航天等领域应用广泛。

但钛合金的机械加工性能差，影响了该材料的广泛使用。

钛合金是在工业纯钛中加入合金元素，以提高钛的强度。

钛合金可分三种：

a钛合金，b钛合金和a＋b钛合金。

a+b钛合金是由a和b双相组成，这类合金组织稳定，高温变形性能、韧性、塑性较好，能进行淬火、时效处理，使合金强化。

钛合金的性能特点主要表现在：

（1）比强度高。

钛合金密度小（4.4kg/dm3）、重量轻，但其比强度却大于超高强度钢。

（2）热强性高。

钛合金的热稳定性好，在300～500℃条件下，其强度约比铝合金高10倍。

（3）化学活性大。

钛可与空气中的氧、氮、一氧化碳、水蒸气等物质产生强烈的化学反应，在表面形成TiC及TiN硬化层。

（4）导热性差。

钛合金导热性差，钛合金TC4在200℃时的热导率l=16.8W/m·

℃，导热系数是0.036卡/厘米·

秒·

℃。

钛合金切削加工特性分析

首先，钛合金导热系数低，仅是钢的1/4、铝的1/13、铜的1/25。

因切削区散热慢，不利于热平衡，在切削加工过程中，散热和冷却效果很差，易于在切削区形成高温，加工后零件变形回弹大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快，耐用度降低。

其次，钛合金的导热系数低，使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削热不易散发，加速刀具磨损。

最后，钛合金化学活性高，在高温下加工易与刀具材料起反应，形成溶敷、扩散，造成粘刀、烧刀、断刀等现象。

加工中心加工钛合金的特点

（1）加工中心可以同时加工多个零件，提高生产效率。

（2）可提高零件加工精度，产品一致性好。

加工中心具有刀具补偿功能，可以获得机床本身的加工精度。

（3）具有广泛的适应性和较大的加工灵活性。

（4）可实现一机多能。

加工中心可以进行铣削、钻孔、镗孔、攻丝等一系列加工。

（5）可以进行精确的成本计算，控制生产进度。

（6）不需要专用夹具，可节约成本经费，缩短生产周期。

（7）可大大减轻工人的劳动强度。

（8）可利用UG等CAD/CAM软件进行多轴加工。

刀具材料的选择

选用刀具材料应满足下列要求：

（1）足够的硬度。

刀具的硬度必须要远大于钛合金硬度。

（2）足够的强度和韧性。

由于刀具切削钛合金时要承受很大的扭矩和切削力，因此必须有足够的强度和韧性。

（3）足够的耐磨性。

由于钛合金韧性好，加工时切削刃要锋利，因此刀具材料必须有足够的抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。

这是选择加工钛合金刀具最重要的参数。

（4）刀具材料与钛合金亲合能力要差。

由于钛合金化学活性高，因此要避免刀具材料和钛合金形成溶敷、扩散而成合金，造成粘刀、烧刀现象。

经过对国内常用刀具材料和国外刀具材料进行的切削试验表明，采用高钴刀具效果理想，钴的主要作用是加强二次硬化效果，提高红硬性和热处理后的硬度，同时具有较高的韧性、耐磨性、良好的散热性。

铣刀的几何参数

钛合金的加工特性决定刀具的几何参数与普通刀具存在较大区别。

（1）螺旋角β：

选择较小的螺旋升角，增大排屑槽，排屑容易，散热快，同时也减小切削加工过程中的切削抗力。

（2）前角γ：

切削时刃口锋利，切削轻快，避免钛合金产生过多切削热，从而避免产生二次硬化。

（3）后角α：

减小刀刃的磨损速度，有利于散热，耐用度也得到很大程度的提高。

切削参数选择

钛合金机加工应选择较低的切削速度，适当的进给量，合理的切深和精加工量，冷却要充分。

（1）切削速度Vc：

Vc=30～50m/min。

（2）进给量f：

粗加工时取较大进给量，精加工和半精加工取适中的进给量。

（3）切削深度ap：

ap=1/3d为宜，钛合金亲合力好，排屑困难，切削深度太大，会造成刀具粘刀、烧刀、断裂现象。

（4）精加工余量αc：

适中，钛合金表面硬化层约0.1～0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化层上，刀具容易磨损，应该避免硬化层加工，但切削余量不宜过大。

冷却液

钛合金加工最好不使用含氯的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆，也能防止钛合金高温应力腐蚀开裂。

可选用合成