導讀

    1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦——這標志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。而鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。

    一 鈦的簡介

    1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦——這標志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。而鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領(lǐng)域。

    鈦在地殼中含量較豐富，含量排第九位，遠高于銅、鋅、錫等常見金屬。鈦廣泛存在于許多巖石中，特別是砂石和粘土中。

    二 鈦的特性

    強度高：是鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3.5倍，金屬材料中的冠軍。

    熱強度高：使用溫度比鋁合金高幾百度，微信號：report88可在450～500℃的溫度下長期工作。

    抗蝕性好：耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕，對點蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強。

    低溫性能好：間隙元素極低的鈦合金TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。

    化學活性大：高溫時化學活性很高，輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，生成硬化層。

    導熱系數(shù)小、彈性模量小：導熱系數(shù)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(shù)比鈦的導熱系數(shù)約下降50％。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。

    三 鈦合金的分類及用途

    鈦合金按用途可分為：耐熱合金、高強合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。

    盡管鈦及其合金應(yīng)用的歷史不長，但由于它那超眾的性能，已經(jīng)獲得了多個光榮稱號。首先榮獲的稱號就是“空間金屬”。它重量輕、強度大又耐高溫，特別適于制造飛機和各種航天器。目前世界上生產(chǎn)的鈦及鈦合金，大約有四分之三都用于航空航天工業(yè)。許多原來用鋁合金的部件，都改用了鈦合金。

    四 鈦合金的航空應(yīng)用

    鈦合金主要用于飛機及發(fā)動機的制造材料，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、發(fā)動機罩、排氣裝置等零件以及飛機的大梁隔框等結(jié)構(gòu)框架件。航天器主要利用鈦合金的高比強度，耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。

    （純鈦制作星際戰(zhàn)斗機模型）

    1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。70年代起，民用機開始大量使用鈦合金，如波音747客機用鈦量達3640公斤以上占機重28%。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展，在火箭、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上，也用了大量的鈦合金。

    飛機越先進，使用的鈦越多。美國F—14A戰(zhàn)斗機使用的鈦合金，約占機重的25%；F—15A戰(zhàn)斗機為25.8%；美國第四代戰(zhàn)斗機用鈦量為41%，其F119發(fā)動機用鈦量為39%，是目前用鈦量最高的飛機。

    五 鈦合金在航空中被大量應(yīng)用的原因

    現(xiàn)代飛機的航行最高時速已達到音速的2.7倍以上。這么快的超音速飛行，會使飛機與空氣摩擦而產(chǎn)生大量的熱。當飛行速度達到音速的2.2倍時，鋁合金就經(jīng)受不住了。必須采用耐高溫的鈦合金。

    當航空發(fā)動機的推重微信號：report88比從4～6提高到8～10，壓氣機出口溫度相應(yīng)地從200～300℃增加到500～600℃時，原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金。

    近年來科學家們對鈦合金性能的研究工作，不斷取得新的進展。原來由鈦、鋁、釩組成的鈦合金，最高工作溫度為550℃～600℃，而新研制的鈦化鋁（TiAl）合金，最高工作溫度已提高到1040℃。

    用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，可以減輕結(jié)構(gòu)重量。飛機每減輕重10%，可節(jié)省燃料4%。對火箭來說，每減輕1kg的重量，就可增加15km的射程。

    六 鈦合金機加工特性分析

    首先，鈦合金導熱系數(shù)低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。因切削區(qū)散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區(qū)形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。

    其次，鈦合金的導熱系數(shù)低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區(qū)域內(nèi)不易散發(fā)，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發(fā)，加速刀具磨損。最后，鈦合金化學活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷、擴散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。

    七 加工中心加工鈦合金特點

    加工中心可以多個零件同時加工，提高生產(chǎn)效率。

    提高零件的加工精度，產(chǎn)品一致性好。加工中心有刀具補償功能，可以獲得機床本身的加工精度。

    有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性。如本零件的圓弧加工、倒角和過渡圓角。

    可以實現(xiàn)一機多能。加工中心可以進行銑削、鉆孔、鏜孔、攻絲等一系列加工。

    可以進行精確的成本計算，控制生產(chǎn)進度。不需要專用夾具，節(jié)約大量成本經(jīng)費，縮短生產(chǎn)周期。大大減輕了工人的勞動強度。

    可以與UG等加工軟件進行多軸加工。

    八 刀具及冷卻液材料的選擇

    1、刀具材料選用應(yīng)滿足下列要求：

    足夠的硬度。刀具的硬度必須要遠大于鈦合金硬度。

    足夠的強度和韌性。由于刀具切削鈦合金時承受很大的扭矩和切削力，因此必須有足夠的強度和韌性。

    足夠的耐磨性。由于鈦合金韌性好，加工時切削刃要鋒利，因此刀具材料必須有足夠的抗磨損能力，這樣才能減少加工硬化。這是選擇加工鈦合金刀具最重要的參數(shù)。

    刀具材料與鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學活性高，因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴散而成合金，造成粘刀、燒刀現(xiàn)象。

    經(jīng)過對國內(nèi)常用刀具材料和國外刀具材料進行試驗表明，采用高鈷刀具效果理想，鈷的主要作用能加強二次硬化效果，提高紅硬性和熱處理后的硬度，同時具有較高的韌性、耐磨性、良好的散熱性。

    2、銑刀的幾何參數(shù)

    鈦合金的加工特性決定刀具的幾何參數(shù)與普通刀具存在著較大區(qū)別。

    螺旋角β選擇較小的螺旋升角，排屑槽增大，排屑容易，散熱快，同時也減小切削加工過程中的切削抗力。

    前角γ切削時刃口鋒利，切削輕快，避免鈦合金產(chǎn)生過多切削熱，從而避免產(chǎn)生二次硬化。

    后角α減小刀刃的磨損速度，有利于散熱，耐用度也得到很大程度的提高。

    3、切削參數(shù)選擇

    鈦合金機加工應(yīng)選擇較低的切削速度，適當大的進給量，合理的切深和精加工量，冷卻要充分。

    切削速度VcVc=30～50m/min

    進給量f粗加工時取較大進給量，精加工和半精加工取適中的進給量。

    切削深度apap=1/3d為宜，鈦合金親合力好，排屑困難，切削深度太大，會造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現(xiàn)象。

    精加工余量αc適中鈦合金表面硬化層約0.1~0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化層上，刀具容易磨損，應(yīng)該避免硬化層加工，但切削余量不宜過大。

    4、冷卻液

    鈦合金加工最好不用含氯的冷卻液，避免產(chǎn)生有毒物質(zhì)和引起氫脆，也能防止鈦合金高溫應(yīng)力腐蝕開裂。選用合成水溶性乳化液，也可自配用冷卻液。

    切削加工時冷卻液要保證充足，冷卻液循環(huán)速度要快，切削液流量和壓力要大，加工中心都配有專用冷卻噴嘴，只要注意調(diào)整就能達到預期的效果。

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責任編輯：王元

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