摘要：鈦合金具有密度小、強度高、耐高溫等優良特性， 在航空航天以及其他方面得到廣泛的應用， 但由于其加工難度大、切削效率低、刀具壽命短而影響了它的應用。本文通過對鈦合金材料的特性及切削性能的分析，通過生產中的實例，對其車削和銑削工藝方法進行了工藝研究，同時對不同批次的材料加工的零件，出現色差的問題進行了分析。
關鍵詞：鈦合金 實例 色差分析
1、引言
鈦合金是一種典型的難加工材料，其加工特性主要表現在以下幾個方面：
?。?）鈦合金強度高，硬度大，所以要求加工設備功率大，刀具應有較高的強度和硬度。
?。?）切屑與前刀面接觸面積小，刀尖應力大。
（3）鈦合金摩擦因素大，導熱系數低。刀具與切屑的接觸長度短，切削熱積聚于切削刃附近的小面積內而不易散發。這些因素使得鈦合金的切削溫度很高，造成刀具磨損加快，并影響加工質量。
（4）由于鈦合金彈性模量低，切削加工時工件回彈大，容易造成刀具后刀面磨損的加劇和工件變形。
?。?）鈦合金高溫時化學活性很高，容易與空氣中的氫氧等氣體雜質發生化學反應，生成硬化層，進一步加劇了刀具的磨損。
（6）鈦合金切削加工中，工件材料極易與刀具表面黏結，加上很高的切削溫度，所以刀具容易產生擴散磨損和黏結磨損。
2、生產中管類零件切削加工工藝分析
2.1 管類零件的加工工藝
圖1是某管類零件的結構圖，該零件的材料選用的是TA2 M的鈦合金鋼管。材料規格是φ63×3.5×130，每根坯料可做一件。
在加工過程中，根據該零件的要求，用車削和銑削的方法即可完成。其加工的工藝規程如圖2所示。
零件最后成型屬于薄壁零件，在進行加工時，為了保證零件的幾何尺寸滿足使用要求，加工時不變形。所以，車削和銑削時都要用芯棒裝夾。而銑削時是第二次裝夾，為了減小銑削后的接刀痕，在進行芯棒裝夾時，其間隙應盡量的小。銑削完成后，用銼刀和砂皮將接刀痕打掉。
2.2 刀具材料的選擇
加工鈦合金的刀具材料應具備如下性能： 高溫狀態下的化學穩定性；足夠的強度和韌性； 良好的熱傳導性。加工鈦合金時，應盡可能選擇與鈦合金親合力小的刀具材料。刀具選用YG8硬質合金材料，沒有選用YT類硬質合金材料，主要是YT類硬質合金材料中也含有Ti，這樣同種元素之間會發生親和力而出現粘刀現象，當切削溫度高，摩擦系數大，就加劇了刀具的磨損。刀具的幾何尺寸如表3所示。
2.3 刀具參數優選
3.3.1 車削加工
因鈦合金的導熱性差，為減少刀具后刀面與加工表面摩擦產生的熱， 刀具后角要選的大些， 加工一般材料的刀具后角取α0=6°—8°；加工鈦合金的刀具后角取 α0=14°—17°；前角要大一些， γ0=8°—12°，以保證刀刃鋒利，減小加工變形， 提高加工表面質量；主偏角 Kr=90°，以降低徑向力，防止震動；刀尖圓弧rε≤0.8mm 合適。
3.3.2 銑削加工
在圖1的外圓表面上加工三個缺口， 銑刀的前角、后角等幾何參數對提高切削精度和效率以及延長刀具壽命有很大的影響。所以要對銑刀的形狀加以改進， 具體措施：
?。?）減小銑刀的懸伸。假如銑刀的懸伸過大， 剛度就難以保證。在保證工件正常加工的前提下， 懸伸盡量縮短。
?。?）減小銑刀刃口部分排屑曹深度。這樣可使銑刀的壽命得以提高。
2.4 切削參數的優選
對于切削加工來說，既要保證零件的質量、加工效率，又要保證刀具有一定的壽命。
（1）對于外圓的粗車，要保證刀具的使用壽命，切削速度v<80m/min，刀具使用壽命T=480min。背吃刀量t<1mm，進給量 S<0.15mm/r。因粗加工產生的熱量多，要加大冷卻液的流量。
?。?）對于零件的精車，主要任務是保證表面質量，加工精度和適當的刀具壽命。切削速度v≤80m/min，背吃刀量t≤0.3mm，刀具的使用壽命 T=1080min，進給量S≤0.15mm/r。
?。?）在銑削加工時，為了提高刀具的使用壽命，除了要減小銑刀的循環應力，還應加大背吃刀量和切削厚度。同時銑削速度對零件的表面粗糙度有很大的影響如圖4所示，隨著銑削速度的提高，銑削過程中增強顆粒的破碎和脫落增多，從而使銑削力銑削振動增大，工件表面的粗糙度也隨之增大。
2.5 提高加工系統穩定性措施
為了得到滿意的加工零件和效率， 必須使系統具有很高的穩定性。
?。?）減小刀具的懸長， 避免受大的沖擊力的時候刀具折斷。
?。?）選擇主軸剛度較大的機床， 避免大切削用量引起工藝系統顫振發生。
?。?）選擇裝夾強度較大夾具， 增加系統的剛性。
3、零件出現色差問題的分析
在生產實際中由于零件的庫存量的原因，通常有混批使用零件的情況。但是，兩批零件的表面會出現輕微的色差。這嚴重影響了批次產品外觀質量的要求。通過分析，產生色差的原因主要有以下幾個方面：
（1）材料批次不同，由于鈦合金是在工業純鈦中加入合金元素，不同批次的材料，其組成成分有不同差異，在加工時會有不同色差；
?。?）加工后鈦合金的活性高，易于與空氣中物質發生反應，使零件表面產生不同的色差；
（3）兩批次的加工，出自不同的操作者，使表面粗糙度不一致，由于光的漫反射原理，使粗糙度高的看起來要光亮一些，而粗糙度低的，看起來要暗一些；
?。?）加工時由于車床轉速高或者是刀具不鋒利，車削時產生大量的熱，無法及時散去，又因為鈦合金的活性高，容易與空氣中物質發生化學反應，導致表面出現不同色差，這是對不同批次的材料而言；
?。?）兩批加工的操作者，使用的刀具材料，或者是刀具的幾何參數選擇不同，使兩批材料的表面發生不同變化，從而導致兩批零件有不同的色差；
（6）兩批零件加工完后，長時間擱置不用，鈦合金的微小差異，而由于鈦合金的活性，使其與空氣中物質，發生不同的化學反應，使表面產生不同色差。
4、消除色差的方法
零件表面質量的好壞，直接影響產品的外觀質量，通過對兩批次產品的零件表面來看，同一批次的材料，加工后色差是一致的。只是不同批次之間才有輕微色差。由此可知同一批次的材料，其穩定性是好的，所以，可以采取以下辦法消除色差：
?。?）同一批次的產品，選用同一批次的材料來加工零件，而且采用零庫存的方法，即本批一次性用完所加工的零件，同時這也是符合精益管理的原理：消除不必要的浪費。
?。?）零件加工后，不能長時間擱置不用，同時要求同一批采用相同的加工方法，使表面粗糙度一致。這樣就能保證同一批零件表面色差一致。
?。?）加工時選用正確的刀具材料，要求高溫狀態下刀具材料的穩定性好，要有足夠的強度和韌性，刀具材料還要有熱傳導性，盡可能選擇與鈦合金親和力小的刀具材料。通常情況下，車削鈦合金時，選用YG類硬質合金刀具材料。這種材料在加工時，不會發生化學反應，同一批零件就會保持一致。
?。?）加工時正確選用刀具的幾何參數，因為鈦合金的導熱性差，為減少刀具后刀面與加工表面摩擦產生的熱，刀具的后角要選大一些。前角要大一些，以保證刀刃鋒利，減小加工變形，提高加工表面質量。主偏角為90°，以降低徑向力，防止振動，刀尖圓弧不大于R0.8。
?。?）刀具材料和刀具的幾何參數選定后，要求進行充分的冷卻，以保證切削區熱量及時散發，這樣既可提高零件表面質量，使零件表面色差一致，同時又可延長刀具的使用壽命。
5、結語
通過實例對鈦合金零件的車削和銑削加工的分析，能實現鈦合金材料的批量加工，并且滿足使用要求。對生產中出現的色差問題進行分析發現，兩批次的零件加工后產生色差，既可能是材料的問題，又可能是操作者在加工中造成的，即是兩批零件操作者不同。只要每批產品，選用同一批材料，加工方法正確，就能完全消除色差問題。
參考文獻
[1]陳榕林，陸同理主編.新編機械設計與制造禁忌手冊.
[2]傅玉燦等.難加工材料高效加工技術.陜西：西北工業大學出版社，2010年6月.
陜公網安備 61030502000103號 
