钛合金加工指南

钛及合金利用其独特的性能在航空航天和生物医学领域得到越来越广泛的应用。这种流行的金属具有防锈和抗化学作用，可以回收利用，而且重量轻、强度高、耐腐蚀性好，解决了许多工程问题。与其他金属和材料相比，钛部件的使用寿命更长，性能和效果更好。

钛比钢高 30%，但比钢轻近 50%。钛比铝重60%，但强度是铝的两倍。然而，在加工钛合金并选择合适的刀具和参数时，必须考虑一些挑战。

在这里，我们深入了解了钛加工，为什么加工钛如此困难，并提供一些可以提高钛加工成功率的技术见解和技巧，还包括它的好处和应用。

钛加工 品种

钛合金的牌号和品种很多，100多种。每种合金都有其独特的性能和特性。工业上有40-50种，最常用的有十几种。包括各种口味的工业纯钛和精选钛合金，如Ti-6AL-4V、Ti-5AL-2.5Sn、TI-2AL-1.5Mn、Ti-3AL-2.5V、Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo , Ti-6AL-2Sn-4Zr-6Mo, 以及 Ti-10V-2Fe-3AL 和 Ti-0.20Pd, T-0.3Mo-0.8N 等。但是，对于大多数国家来说，前两种重要的合金（Ti-6Al -4V、Ti-5A-2.5Sn)最为典型，也为世界所公认。

根据组织分类，钛合金分为以下三类：α合金、(α+β)合金和β合金。

α钛合金

它是由α相固溶体组成的单相合金。无论常温还是更高的实际应用温度都是α相，结构稳定，耐磨性比纯钛高，抗氧化性强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性，但不能通过热处理强化，室温强度不高。

β钛合金

它是由β相固溶体组成的单相合金。它具有高强度，无需热处理。经淬火和时效处理后，合金进一步强化。常温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不适合在高温下使用。

α+β钛合金

它是一种双相合金，具有良好的综合性能、良好的组织稳定性、良好的韧性、塑性和高温变形性能，能很好地进行热压加工，并可进行淬火和时效强化合金。热处理后强度比退火状态高50%-100%左右；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，热稳定性仅次于α钛合金。

三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金。 α钛合金的切削加工性能最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。

为什么钛难 加工？

钛的物理现象 加工

钛合金加工时的切削力仅略高于同等硬度的钢，但加工钛合金的物理现象比加工钢要复杂得多，这使得钛合金加工面临巨大困难。

大多数钛合金的导热率很低，仅为钢的1/7，铝的1/16。因此，钛合金切削过程中产生的热量不会很快传递到工件或被切屑带走，而是集中在切削区域。产生的温度可高达1000℃，导致刀具切削刃快速磨损、开裂并产生积屑瘤，磨损刀片迅速出现，并在切削区域产生更多热量，进一步缩短刀具寿命工具。

切削过程中产生的高温也破坏了钛合金零件的表面完整性，导致零件几何精度下降，并出现加工硬化现象，严重降低其疲劳强度。

钛合金的弹性可能有利于零件的性能，但在切削过程中，工件的弹性变形是振动的重要原因。切削压力使“有弹性”的工件离开刀具并回弹，使刀具与工件之间的摩擦力大于切削作用。摩擦过程也会产生热量，加剧了钛合金导热性差的问题。

“热”是钛合金难加工的“罪魁祸首”！

如何改进钛加工？

在了解钛合金加工机理的基础上，结合前人的经验，钛合金加工的主要技术诀窍如下：

更多冷却液

钛是绝缘体，因此切割操作过程中产生的热量往往会留在切割工具附近。处理过热的一种明显方法是添加冷却剂。工作区域和工具采用10%的高压浓缩冷却液进行喷砂处理，确保接触区域保持凉爽，所有带热切屑都能被冲走。

高压冷却液

对于车削应用，冷却液的位置和压力​​至关重要。通过正确的应用，可以获得更高的表面速度和金属去除率。唯一的缺点是底层材料会重新沉积在零件表面上。这可以通过规划切削策略和降低最终精加工的冷却液压力来克服。

持续供稿

钛易加工硬化，即切削材料时，钛变硬，因此磨损更多刀具。恒定进给确保加工硬化材料保持在绝对最小值。

提高进给速度

如果机器允许的话，提高进给速度意味着刀具在特定区域花费的时间更少，因此没有更多时间热量积累和加工硬化来影响刀具的切削刃。

工具

PVD 涂层硬质合金刀尖是最适合切削钛的刀具。还可以提供更新和更先进的工具涂层，例如 TiAIN（氮化钛铝）。钛是一种弹性材料，所以这个锋利的工具是绝对必不可少的。钝的工具会擦拭表面并引起抖动。

芯片控制

钛产生长切屑，容易损坏刀具并在工件表面留下痕迹。此外，长而薄的芯片并不理想，因为它们无助于将热量从工作区域转移出去。因此，在加工钛金属时，理想的刀具和刀具路径是制造更小更厚切屑的理想选择。

工具路径

加工钛合金时选择正确的刀具路径与选择正确的刀具同样重要。加工钛时，绝对有必要确保刀具路径始终与工件啮合。切割凹槽时，刀具路径与摆线模式相结合将减少任何凹槽与材料接合的时间，这有助于限制热量积聚。将刀具驱动进出工件有助于减少可能严重损坏刀具的冲击和突然移动。

机床

坚固的机床对于钛的成功加工至关重要。理想的钛铣床必须是刚性的，主轴必须能够在低主轴转速和高扭矩下运行。这有助于吸收振动并减少切削过程中的颤振，这是加工钛合金时的常见问题。

钛加工的优缺点

钛合金具有重量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点，因此在汽车工业中得到广泛应用。最常用的钛合金用于汽车发动机系统。钛合金的低密度可以减少运动部件的惯性质量。同时钛合金气门弹簧可以增加自由振动，降低车身振动，提高发动机转速和输出功率。

选择钛合金可以降低相关零件的载荷应力，减小零件的尺寸，从而降低发动机和整车的质量。零件惯性质量的减少降低了振动和噪音，提高了发动机的性能。钛合金在其他部位的应用，可以提高人员的舒适度和汽车的美观度。在汽车工业的应用中，钛合金在节能降耗方面发挥了不可估量的作用。

高耐腐蚀性、优异的生物相容性和所有金属中最佳的强度重量比。这些品质使钛合金成为航空航天和医疗行业特别抢手的材料。

由于钛与其他元素的亲和性，天然无法找到钛，因此需要复杂且耗能的过程来对其进行提炼。这意味着钛合金的价格远高于其他金属，无论是金属的初始冶炼还是后续加工。

钛的另一个主要缺点是加工过程中的技术难度。

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