难加工金属之钛合金

钛合金的性能及切削特点

钛及钛合金具有许多优良性能。钛的密度为4.54g／cm3，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些；机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，熔点1942K，比黄金高近1000K，比钢高近500K。钛合金制成的飞机比其它金属制成的同样重的飞机可多载旅客100多人，制成的潜艇既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80% ；同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。钛具有优异的亲生物性，在人体内能抵抗分泌物的腐蚀且自身无毒，因此被广泛用于制备医疗器械如骨骼固定夹、心脏支架等，及人造植入物如髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣等。

钛合金的硬度大于350HB时切削加工特别困难，小于300HB时则容易出现粘刀现象也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特点：

·变形系数小 ：这是钛合金切削加工的显著特点，变形系数小于或接近于1。切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速刀具磨损。

·切削温度高：由于钛合金的热导率很小（只相当于45#钢的1/5~1/7),切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。在相同的切削条件下，切削温度可比切削45#钢时高出1倍以上。

·单位面积上的切削力大 ：主切削力比切钢时约小20%,由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。

·冷硬现象严重 ：由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损，是切削钛合金时的一个很重要特点。

·刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮极易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生黏结磨损。

切削钛合金时刀具材料的选择

切削加工钛合金常用刀具材料，以高速钢和硬质合金为主，切削加工钛合金应从降低切削温度和减少黏结两方面出发，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，YG类硬质合金比较合适。由于高速钢的耐热性差，因此应尽量采用硬质合金制作的刀具。常用的硬质合金刀具材料有YG8、YG3、 YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。

切削钛合金时切削液的选择

在机加工应用领域中，仅就切削液而言，选用在钛合金表面能形成优异润滑膜层的水基切削液为较优方案。其中，由于植物油基润滑剂呈双亲的分子结构，其成膜吸附和润滑效果比矿物油基润滑剂要好，从而使用植物油基水基切削液能明显提高切削速度、延长刀具的耐用度，使钛合金的机械切削性能得到全面的提高。

具体的，植物油的高润滑性能是由植物油的基本成分及其本身的化学结构所决定的。植物油的润滑性能产生于植物油成分的固有“油性”，即植物油“机灵的分子”。植物油分子具有双亲性，即：分子的两端分别为亲水的极性结构和亲油的碳链结构。分子的极性结构对金属表面具有很强的化学亲和力，它们像微小的磁铁那样，紧紧地吸附在金属的表面，形成垂直、紧密、均匀的排列吸附膜。而植物油分子的亲油碳链又能产生不同植物油分子间的“同性相吸”的吸附，结果在金属表面形成一层厚厚的（多层）、结实的、耐久的润滑吸附油膜。而矿物油分子是不带极性的的疏水分子结构，它们在钛材金属表面上的分布排列是不规则的，因此所产生的润滑层比较薄弱。

润滑剂的黏温指数越高，就越能保证其在操作温度范围内稳定的润滑特性。随着加工温度的提高，植物油的粘度降低速率比矿物油慢，即植物油的黏温指数更高。另外，随着温度的降低，植物油的液态流动性要比矿物油好，有利于润滑分子与切屑和工件的分离。

植物油熔点较高，有利于润滑成膜从而提高金属切削率，并可降低烟雾的形成、减少发生火灾的危险。

在环保性能方面，由于植物油分子大小较为均匀，而矿物油分子的分子量变化范围较大，蒸发和达到沸点（雾化）时，矿物油的粘度受到很大的影响，而植物油则损耗极低，从而有利于减少油雾的形成、为人们营造出一个健康和清洁的工作环境。