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鈦合金難加工的4大原因和7大對策

發布日期:2024-12-30 15:14:30  瀏覽次數:1370


      鈦合金,以其獨特的優勢在航空、航天、醫療等領域占據重要地位,近兩年亦在3C消費電子領域崛起,應用于多款熱銷高端智能手機的機身及結構件上。


  合金具備輕巧、強度高及質感佳的性能優勢,有助提升智能手機的外觀設計及大幅降低機身重量,有望成為消費電子材料創新趨勢。然而,鈦合金難以加工的特性一直困擾著工程技術人員。




  鈦合金加工難點


  1、溫度集中


  大多數鈦合金的導熱系數極低,僅為鋼材的1/7,鋁材的1/16,銅材的1/25。因此,在切削過程中產生的熱量不易散發,而是集中在切削區域。刀尖溫度可升至1000℃,導致刀具快速磨損、開裂,并產生積屑,縮短刀具壽命。


  切削高溫集中在刀尖,散熱困難,刀具易損。高溫還破壞了鈦合金零件的表面完整性,降低了零件的幾何精度,并引發加工硬化現象,嚴重降低了其疲勞強度。


  2、彈性變形


  鈦合金的彈性模量相對較低,例如TC4的彈性模量僅為110Gpa,而45鋼為210Gpa,303、304、316等不銹鋼的彈性模量也在200Gpa左右。加工鈦合金時,容易產生彈性變形,尤其在加工薄壁或環形零件時更為明顯。薄壁件在加工時局部變形超出彈性范圍,產生塑性變形,切削點材料的強度和硬度顯著增加。


  切削壓力使工件產生彈性變形并回彈,增大了刀具與工件間的摩擦,產生額外熱量,加劇了鈦合金導熱性差的問題。


  3、親和力強


  鈦合金的親和力較好,在車削和鉆孔過程中易形成長而連續的切屑,這些切屑會纏繞刀具并妨礙其功能。切削深度過大時,易造成粘刀、燒刀或斷裂。


  親和力優勢在許多領域都頗具價值,例如在離子泵中,鈦被用作陰極板。當鈦原子被濺射到陽極管的內壁時,它們能夠吸附氣體分子,從而創造出超高真空環境。


  4、振動


  鈦合金的彈性在零件性能上可能有利,但在切削過程中,卻成為振動的主要原因。加工鈦合金產生的振動是鋼的10倍。由于切削熱集中在切削部分,會產生鋸齒形切屑,導致切削功率波動。


  鈦合金難加工對策


  1、冷卻


  使用冷卻液降低切削高溫。通常,非可溶性油冷卻液適用于低速重載切削,可溶性切削冷卻液適用于高速切削。


  另外可使用低溫切削法,如使用液氮(-180℃)或液態CO2(-76℃)作為切削液,能有效降低切削區溫度,提高加工表面質量,延長刀具壽命。


  2、選擇合適的刀具


  選用恰當的切削刀具能顯著提升加工效率。由于鈦合金的熱量主要依靠切削刃和冷卻液來散發,而非像鋼材那樣通過切屑排出,因此切削刃的微小部分需承受極大的熱和機械應力。保持切削刃的鋒利能降低切削力。


  此外,采用拋光凹槽的磨削技術和高正角的可轉位刀片,也有助于減輕切削壓力。


  必要時,還可以使用涂層刀具,以減少合金的粘性并破碎過長切屑。這樣做不僅降低了排屑過程中的摩擦,還有助于控制加工過程中產生的熱量。


  3、恒定進給或增加進給率


  鈦合金在加工過程中容易發生硬化,即在切削時,鈦合金的硬度會提高,這會加速工具的磨損。因此,保持恒定的進給對于將加工硬化降至最低至關重要。


  當然,如果設備性能允許,可以嘗試增加進給率。這樣做可以減少刀具在加工區域停留的時間,從而減少熱量積聚和加工硬化的機會。


  4、降低切割速度


  控制放熱,使用鋼切割速度的1/3或更低進行鈦合金加工。


  5、根據工藝更換刀具


  在加工鈦合金時,陶瓷、碳化鈦和氮化鈦涂層刀具的壽命相對較短。通常,對于大批量的鈦合金加工,硬質鋼刀具是首選;而對于小批量加工,則使用高速硬質合金刀具更為合適。


  目前,超聲波加工技術正在研發中,其目的是通過減少刀具與工件的接觸時間,來延長刀具的使用壽命。


  6、使用高剛性機床


  高剛性機床對于成功加工鈦合金至關重要。理想的鈦合金銑床必須是剛性的,主軸能在低轉速和高扭矩下運行,以吸收振動并減少切削過程中的顫振。


  7、定期清潔


  定期清潔加工設備和刀具,防止碎屑沉積,影響加工效果。




 
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