鈦和鈦合金的概述：Ti在地殼中的豐度為0.56%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),在所有按元素中居第9位,而在可作為結(jié)構(gòu)材料的金屬中居第4位,僅次于Al、Fe、Mg,其儲(chǔ)量比常見金屬Cu,Pb,Zn儲(chǔ)量的總和還多。我國鈦資源豐富,儲(chǔ)量為世界。鈦合金的密度小,比強(qiáng)度、比剛度高,抗腐蝕性能、高溫力學(xué)性能、抗疲勞和蠕變性能都很好,具有優(yōu)良的綜合能,是一種新型的、很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料。近年來,世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展,海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費(fèi)都達(dá)到了很高的水平,在航空航天領(lǐng)域、艦艇及兵器等軍品制造中的應(yīng)用日益廣泛,在汽車、化學(xué)和能源等行業(yè)也有著巨大的應(yīng)用潛力。 2001年以來鈦得到了更加廣泛的應(yīng)用，在一些新興市場上應(yīng)用的跡象得到了增長，如汽車、石油和天然氣。從長遠(yuǎn)來看，汽車上的用鈦量將不斷增加，成為鈦應(yīng)用的一個(gè)更有保障的競爭領(lǐng)域。在高端消費(fèi)品領(lǐng)域鈦合金的應(yīng)用也已經(jīng)基本成熟，如鈦合金在高爾夫球桿和網(wǎng)球拍上的應(yīng)用。當(dāng)今社會(huì)老齡化問題越來越嚴(yán)重，醫(yī)藥市場對鈦需求量不斷增加，每年正以5％～7％的速度增長，在生物醫(yī)藥部門鈦已成為另一個(gè)熱門且具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。以上新興市場鈦的消費(fèi)量每年都呈增長趨勢，2001年鈦消費(fèi)量為6000噸，2006年增加到10000噸。2007年以后隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國防事業(yè)的需要，國際市場對鈦合金產(chǎn)品的需求大幅增加，特別是航空航天領(lǐng)域?qū)⒊蔀槲磥韼啄陣H市場的主要消費(fèi)和應(yīng)用領(lǐng)域。 鈦及鈦合金具有許多優(yōu)良特性,主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:
(1)比強(qiáng)度高。鈦合金具有很高的強(qiáng)度,其抗拉強(qiáng)度為686~1 176 MPa,而密度僅為鋼的60%左右,所以比強(qiáng)度很高。
(2)硬度較高。鈦合金(退火態(tài))的硬度HRC為32~38。
(3)彈性模量低。鈦合金(退火態(tài))的彈性模量為1.078@105~1.176@105MPa,約為鋼和不銹鋼的一半。
(4)高溫和低溫性能優(yōu)良。在高溫下,鈦合金仍能保持良好的機(jī)械性能,其耐熱性遠(yuǎn)高于鋁合金,且工作溫度范圍較寬,目前新型耐熱鈦合金的工作溫度可達(dá)550~600e;在低溫下,鈦合金的強(qiáng)度反而比在常溫時(shí)增加,且具有良好的韌性,低溫鈦合金在-253e時(shí)還能保持良好的韌性。 (5)鈦的抗腐蝕性強(qiáng)。鈦在550e以下的空氣中,表面會(huì)迅速形成薄而致密的氧化鈦膜,故在大氣、海水、硝酸和硫酸等氧化性介質(zhì)及強(qiáng)堿中,其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。
鈦合金的特點(diǎn)
鈦合金的優(yōu)點(diǎn)：①重量輕；②比強(qiáng)度高；③耐金屬疲勞；④化學(xué)性能穩(wěn)定。 鈦合金的缺點(diǎn)：①切削加工性差；②溫度超過400℃則強(qiáng)度降低（因此用于發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫部分）。 鈦合金難切削的主要原因：①熱傳導(dǎo)率低，刀尖易聚熱；②切削熱引起的高溫造成粘結(jié)，導(dǎo)致刀具壽命降低；③與鋼相比，鈦合金彈性模量小，回彈效應(yīng)可能引起高頻顫振、擦痕和加工誤差等問題。
鈦合金的加工方法 （1）將刀尖溫升控制到***小程度 ①切削速度不宜過高（40～60m/min） 切削速度過高會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，導(dǎo)致刀具壽命降低，因此應(yīng)避免采用過高的切削速度。 ②縮短刀具與工件的接觸時(shí)間 刀具與工件接觸時(shí)間越長，產(chǎn)生的熱量就越多，會(huì)導(dǎo)致刀具壽命降低。而刀具直徑越大，接觸時(shí)間就越長，因此在允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能使用小直徑刀具。 ③不宜加大切削寬度 切削寬度越大，接觸時(shí)間越長，會(huì)增加發(fā)熱量。因此，加工時(shí)不宜加大切削寬度，而通過增加切削長度來提高加工效率。使用長刃刀具等對于粗加工很有效。切削寬度小的臺(tái)肩銑削能減少切削熱，使提高切削速度成為可能。 ④使用45°主偏角刀具 只要工件形狀允許，應(yīng)盡可能使用45°主偏角的刀具，以減薄切屑，延長刀具壽命。 ⑤充分使用切削液，提高冷卻效果 充分使用切削液，尤其是15MPa以上的超高壓切削液，以降低刀尖溫度、改善切屑處理效果、防止產(chǎn)生積屑瘤。從而能夠提高切削速度和生產(chǎn)率。 （2）提高刀具剛性 通過縮短刀具懸伸長度、增大刀具直徑，可提高刀具剛性、減小刀具撓曲度。在因工件形狀必須采用較大懸伸量的場合，應(yīng)用插銑加工也很有效。 （3）鋸齒切削刃刀具的使用 由于鋸齒切削刃可減小接觸寬度，從而可減少熱量的產(chǎn)生。此外，切削液可從鋸齒之間到達(dá)被切削面，因此鋸齒切削刃刀具對鈦合金的加工十分有效。 （4）鈦合金加工對刀具的要求 ①加大刀具前角（減少切削熱的產(chǎn)生）；提高刀具剛性。 ②使用鋒利的切削刃；防止發(fā)生粘結(jié)。 ③選用與被切削材料親和力低的刀片材料。 ④選用能抗崩刃和打刀、韌性和耐熱性好的刀具材料（M類）。 ⑤選用鋸齒型刃口刀具（可用于粗加工）。 鈦合金加工實(shí)例 （1）ISCAR公司風(fēng)火輪銑刀加工鈦合金實(shí)例 風(fēng)火輪銑刀是具有鋸齒刃口的圓刀片。加工條件：工件材料：Ti-6Al-4V；使用刀具：銑刀型號(hào)FRW
D34A50-04-22-16，刀片型號(hào)RCMT1607-FW-F20 IC908；懸伸長度：200mm；切削條件：切削速度55m/min，切削寬度40mm，切削深度3mm，進(jìn)給速度98mm/min。與普通圓刀片相比的功率與排屑量如下：風(fēng)火輪刀片：所需功率0.3kW，排屑量33.0cc/kW；圓刀片：所需功率0.57kW，排屑量17.5cc/kW。與相同材質(zhì)的圓刀片相比，鋸齒刃刀具每千瓦的排屑量增加了49%。即使進(jìn)給速度提高到原來的2倍（196mm/min），仍可得到相同的結(jié)果。此外，切屑也被分割得更細(xì)，刀具不易崩刃，刃口狀況良好。 （2）超高壓切削油使用實(shí)例 使用ISCAR公司的CUT GRIP硬質(zhì)合金切槽刀并采用超高壓切削油加工壓縮機(jī)殼體時(shí)的加工條件：工件材料：Ti-6Al-4V；使用刀具：刀桿型號(hào)BHC8，刀片型號(hào)GIPY8.00-4.00IC20；切削條件：切削速度100m/min，進(jìn)給量0.2～0.25mm/r，切深0.5mm；加工要求：精加工。切削速度從過去的30m/min提高到150m/min，加工時(shí)間縮短為原來的1/3。同時(shí)，大幅度改善了切屑處理效果，減少了因粘結(jié)引起的突發(fā)性打刀，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定加工。 （1）刀具材料的合理選擇問題。 解決難加工材料高效加工的首要問題是合理選擇刀具材料，當(dāng)前生產(chǎn)中選擇刀具一般根據(jù)類比和廠商推薦，選擇范圍有限。采用標(biāo)準(zhǔn)的耐用度試驗(yàn)方法大范圍地選擇刀具時(shí)，工件材料和時(shí)間的消耗極大，技術(shù)上難以實(shí)施。***近Yuan 等[39]根據(jù)上百條磨損曲線的統(tǒng)計(jì)分析，提出一種基于刀具初期磨損的刀具快速篩選技術(shù)，可以在幾天之內(nèi)消耗幾kg工件材料，從20 多種廠家推薦的刀具中篩分出適用刀具、備選刀具、淘汰刀具，篩選的置信度達(dá)90%以上。 （2）切削參數(shù)的選擇問題。 鈦合金切削加工性方面的研究成果推廣應(yīng)用不足，生產(chǎn)中缺乏合理的切削參數(shù)，切削參數(shù)的選擇憑經(jīng)驗(yàn)、憑類比，而很少以科學(xué)、系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)。國外刀具供應(yīng)商推薦的參數(shù)雖然可能經(jīng)過較系統(tǒng)的試驗(yàn)，但由于試驗(yàn)條件與國內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境的差異，所推薦的切削參數(shù)未必適用。（3）加工成本的構(gòu)成問題。 加工成本構(gòu)成的差異也是造成我國鈦合金切削速度普遍偏低的主要原因之一。
