钛合金,以其独特的优势在航空、航天、医疗等领域占据重要地位,近两年亦在3C消费电子领域崛起,应用于多款热销高端智能手机的机身及结构件上。
钛合金具备轻巧、强度高及质感佳的性能优势,有助提升智能手机的外观设计及大幅降低机身重量,有望成为消费电子材料创新趋势。然而,钛合金难以加工的特性一直困扰着工程技术人员。
钛合金加工难点
1、温度集中
大多数钛合金的导热系数极低,仅为钢材的1/7,铝材的1/16,铜材的1/25。因此,在切削过程中产生的热量不易散发,而是集中在切削区域。刀尖温度可升至1000℃,导致刀具快速磨损、开裂,并产生积屑,缩短刀具寿命。
切削高温集中在刀尖,散热困难,刀具易损。高温还破坏了钛合金零件的表面完整性,降低了零件的几何精度,并引发加工硬化现象,严重降低了其疲劳强度。
2、弹性变形
钛合金的弹性模量相对较低,例如TC4的弹性模量仅为110Gpa,而45钢为210Gpa,303、304、316等不锈钢的弹性模量也在200Gpa左右。加工钛合金时,容易产生弹性变形,尤其在加工薄壁或环形零件时更为明显。薄壁件在加工时局部变形超出弹性范围,产生塑性变形,切削点材料的强度和硬度显著增加。
切削压力使工件产生弹性变形并回弹,增大了刀具与工件间的摩擦,产生额外热量,加剧了钛合金导热性差的问题。
3、亲和力强
钛合金的亲和力较好,在车削和钻孔过程中易形成长而连续的切屑,这些切屑会缠绕刀具并妨碍其功能。切削深度过大时,易造成粘刀、烧刀或断裂。
亲和力优势在许多领域都颇具价值,例如在离子泵中,钛被用作阴极板。当钛原子被溅射到阳极管的内壁时,它们能够吸附气体分子,从而创造出超高真空环境。
4、振动
钛合金的弹性在零件性能上可能有利,但在切削过程中,却成为振动的主要原因。加工钛合金产生的振动是钢的10倍。由于切削热集中在切削部分,会产生锯齿形切屑,导致切削功率波动。
钛合金难加工对策
1、冷却
使用冷却液降低切削高温。通常,非可溶性油冷却液适用于低速重载切削,可溶性切削冷却液适用于高速切削。
另外可使用低温切削法,如使用液氮(-180℃)或液态CO2(-76℃)作为切削液,能有效降低切削区温度,提高加工表面质量,延长刀具寿命。
2、选择合适的刀具
选用恰当的切削刀具能显著提升加工效率。由于钛合金的热量主要依靠切削刃和冷却液来散发,而非像钢材那样通过切屑排出,因此切削刃的微小部分需承受极大的热和机械应力。保持切削刃的锋利能降低切削力。
此外,采用抛光凹槽的磨削技术和高正角的可转位刀片,也有助于减轻切削压力。
必要时,还可以使用涂层刀具,以减少合金的粘性并破碎过长切屑。这样做不仅降低了排屑过程中的摩擦,还有助于控制加工过程中产生的热量。
3、恒定进给或增加进给率
钛合金在加工过程中容易发生硬化,即在切削时,钛合金的硬度会提高,这会加速工具的磨损。因此,保持恒定的进给对于将加工硬化降至最低至关重要。
当然,如果设备性能允许,可以尝试增加进给率。这样做可以减少刀具在加工区域停留的时间,从而减少热量积聚和加工硬化的机会。
4、降低切割速度
控制放热,使用钢切割速度的1/3或更低进行钛合金加工。
5、根据工艺更换刀具
在加工钛合金时,陶瓷、碳化钛和氮化钛涂层刀具的寿命相对较短。通常,对于大批量的钛合金加工,硬质钢刀具是首选;而对于小批量加工,则使用高速硬质合金刀具更为合适。
目前,超声波加工技术正在研发中,其目的是通过减少刀具与工件的接触时间,来延长刀具的使用寿命。
6、使用高刚性机床
高刚性机床对于成功加工钛合金至关重要。理想的钛合金铣床必须是刚性的,主轴能在低转速和高扭矩下运行,以吸收振动并减少切削过程中的颤振。
7、定期清洁
定期清洁加工设备和刀具,防止碎屑沉积,影响加工效果。