钛及钛合金机械加工

1、钛及钛合金机械加工2009年第 9 期(总第 227 期)vesNews 钛及钛合金机械加工 宝鸡钛业股份有限公司周友诚 探#矗一奠毒舞苇#q葚一.:%奇臻罐端蕞嵇毒; § t*幽 钛及钛合金是一种新兴的生物金属工程材料 , 具有比重小 ,高比强 ,耐高温 ,耐腐蚀 ,超导性 ,无磁 性,记忆性,生物相容性 ,不仅是航天航空兵器 ,舰 船等军事工业中不可缺少的结构材料 ,而且在制 药 ,医疗器械等部门中也广泛应用 ,特别是制造人 工关节,人工股骨头,人工膝关节 ,人工全肱骨,人 工腕关节 ,人工踝关节 ,人工椎体 ,人工骼骨 ,骨螺 栓,骨接板等.口腔修复中有牙冠 ,冠钉,固定桥 ,

2、烤瓷桥 ,粘 结桥,义齿卡环 ,基托连接装置和加强装置义齿 ,所 有金属部件 ,各医科的钛制手术器械等 . 以上产品属于生命支持的一类器械 ,质量检查 严格,机械加工较复杂 .钛及钛合金是属于难切割 加工材料 ,经过数道工序如人工股骨头生产过程如 下:(1) 下料一按工艺运用靠模 ,在砂轮切割机下 断料.(2) 初锻一采用自由锻，喷油炉加热温度85OC980 C ,在40kg空气锺上锻打成型(3) 砂磨一选材质为氧化铝磨料，粒度366o 中硬砂轮加工磨去锋棱 ,锐角和表面微裂纹 ,切除 氧化皮.(4) 模锻一毛坯加湿800C 960C模具加湿 2o0cl=250E利用300T400T摩擦压力机

3、械锻加 工,产品在模具中模锻成型 .(5) 红切边一连续作业 ,工件在 750C850cl= 时把成型毛坯在相应吨位冲床上 ,立即放人切边模 内冲切,切除四周废边 .(6) 热整形一将锻件加热到600C 800oC要 800T精压机上校正.(7) 磨加工一按图加工 ,磨球头和斜面氧化层 , 柄部平面 ,平直,倒锐角.(8) 钻削首先用硬质合金钢 ,钻氧化层然后 用普通高速钢钻 (手动 )钻出孔 ,再正反面钻孔 ,加 工时用防锈乳化液冷却 .(9) 钳加工锉平 ,修毛刺整理 .(10) 粗车削一选 YG8或XG6X车刀车削,粗 削外圆，留0.4mm余量用防锈乳化液冷却.(11) 精磨一磨蛋形斜面

4、 ,与颈部平滑过程连 接,不能碰球头 .(12) 精车一应用专用夹具 ,校准加工件 ,采用 圆球专用车具 ,精车圆球 .(13) 抛光一采用无铁介质 ,按工艺规程加工 , 达到相应表面粗糙度要求 .(14) 清洗一去脂 ,漂洗和干燥 ,去除抛光后油 泥和其他附着物 ,保持工件光洁干净 .(15) 打标记按不同规格 ,相应打上钢印标 记.(16) 喷陶瓷一(外加工)在柄部喷陶瓷 .(17) 精抛一球头抛光 ,达到镜面精度 .(18) 检验一表面一般要求 ,用倍率放大镜检 查,表面裂纹采用 VCS 着色渗透法擦伤 ,内部质量 采用 x 射线探伤粗糙度 ,用电测法测定 .(19) 包装一用精制塑料包

5、装盒包装 ,内垫绒布 海绵. 目前应用外科植入用的钛及钛合金材料有 :纯 钛 ,金属牌号为 TA1,TA2,TA3,TA4钛合金化学成份Ti一 6AI 一4V 牌号为 TC4钛合金化学成份Ti一 6AI 一7ND 含铌合金钛合金化学成份Ti一 5AI 一2.5FE合金加材钛合金化学成份Til5MO在人造骨关节所选的工艺真空熔炼精密锻造 , 真空精密铸造和粉末冶金等 ,由钛及钛合金再熔 炼,必须在真空或隋性气体保护下进行熔炼和铸 造.一般在外科植人用钛及钛合金进行多次熔炼 和锻造的产品 ,必须严格检查外部表面 ,常常有氧 化皮 ,裂纹 ,凹坑,折叠等缺陷 .根据不同标准规定 进行适当的处理以免影

6、响锻造时质量 ,对于锻造工 序结束的锻件如棒材需要锯切掉头尾 ,还要打磨掉 毛刺 ,有些锻件还要进行扒皮 ,校正或者酸碱洗以 取掉表面氧化皮 .由于工艺严格 ,需要通过精整方 法 ,化学分析 ,机械性能试验 ,外观检验 ,金相分析 和 x 射线探伤等复杂检查 ,才能判断质量的好坏 . 精整工艺对于保证锻件质量是不可少的工序 ?8?2009年第 9 期（总第 227 期）根据不同的要求可经如下处理 :去氧化皮 ,酸洗 ,喷 砂化学铣磨削，机Jn-r剥皮抛光.精整方法主要有以下几种 :打磨打磨的目的主要是为了清理掉各种裂纹 ,凹坑 及折叠,锻件应无开裂,裂纹,裂痕方面的缺陷 .打 磨的设备有悬式砂

7、轮机 ,落地式砂轮机 ,手提砂轮 切割机等可在磨棒上进行清理 .根据来料选择砂 轮,一般对于半成品修磨采用粒度号小的砂轮 ,对 于成品材选用大号 60#以上砂轮 .材质为氧化铝磨 料,磨去锋棱 ,锐角和表面微裂纹切除氧化皮 . 修磨裂纹时 ,砂轮应置于垂直裂纹的方向以免 修磨方向与裂纹方向一致时将裂纹掩盖导致修磨 不净.在修磨缺陷时砂轮应经常移动 ,不得在一处 停留时问过长 ,用力过大以防止金属局部热氧化 , 修磨后的表面不得出现蓝 ,黑色,不得出现陡阶和 凹台.并适当降低砂轮速度 ,边加工边用防锈液高 压冷却,降低切削温度 ,提高表面质量减少刀具磨 损.二,锯切 锯切也是钛及钛合金锻造生产件

8、一道重要的 辅助工序 .锯切主要用于锻造坯料的中棒 ,成品棒材头尾 的去除.锯切所用设备有 :圆盘锯,弓型锯 ,砂轮切割 机,车床,线切割机,等离子切割机,激光切割,气体 切割,电焊切割,电子束切割等 .三,钛合金的机械加工 钛合金与难切削材料 ,切削工具的成本很高 , 钛合金在切削时 ,对于有裂纹以及除掉表面氧化皮 的棒料需要进行无损探伤并在车床上剥皮处理 . 钛合金在切削时 ,温度一般比 45 号钢高一倍 , 在高温状态下钛容易和大气中氧 ,氮形成硬而脆的 氧化层 ,而且在锻压和冲压中由于表面气体沾污形 成原有硬化层 ,表面非常坚硬加上钛合金的塑性变 形 ,所以是难加工材料 ,切削力不大

9、,刀具易磨损 . 实践证明，在车削时按表I选择,用YG6硬质合金 车刀,应用活络顶针 ,当切削深度取 lmm 进给量约 0.1mm/转时，切削速度60m/min左右比较适宜，加 工中用防锈乳化液高压冷却降低切削温度来提高 表面质量 .钛及钛合金属于难切削加工材料 ,影响钛合金 切削加工性主要因素有 : 9.表 1 车削加工参数车削速度车削走刀量名称刀具光洁度（分）深度（毫转）YG8O.15粗车削20252 3YG60.40YG8O.10.06精车削307O5 6YG60.50.20（1）气体杂质的影响 棒材中的氧 ,氢,氮等对钛合金的切削加工性 有很大的影响 ,并随着这些气体在钛合金中含量的

10、增加,而使切削 /Jn-r 中钛的化学活性高 ,使它很容 易与接触的介质起反应 ,并随着温度的升高而加 强 .即使出现氧化皮的同时 ,氧还向钛中扩散 ,当 温度在同素异构转变温度以上时 ,氧向钛中扩散特 别强烈 ,以致形成脆化层 ,其厚度随时间延长而增 加,这就使钛合金的塑性降低 ,硬度提高 .钛中含 量愈多愈严重 .在钛中随温度的提高 ,氢扩散极其 强烈 ,并形成间隙固溶体产生氢脆性 .氧在室温下 对钛没有影响 ,高温时氮和钛强裂化合 ,生成硬而 脆的氮化钛 (TiN). 在钛合金中的杂质 (O:,N, H),能使钛合金脆化.在锻造/jn-r中,由于表面气 体的污染也会形成硬化层 ,所以这些

11、将使钛合金的 切削加工性能恶化 .(2) 物理机械性的影响 从钛合金的机械性能可知 ,钛合金塑性较低 , 切削时塑性变形也小 .这种小的塑性变形将造成 切屑经去切削刃后 ,立即向上卷曲 ,使切屑与刃前 面的接触长度极短，大约只有切削钢时的1/31/ 4.由于不在刃部造成积屑 ,故切削热不易传出 . 集中在切削刃附近的很小范围内 ,同时又由于钛合 金的导热性很差 .导热性只相当于 45#钢的 1/5 1/7,因此使切削温度很高 ,刀刃磨损很快 ,使切削 加工性恶化 .(3) 含碳量和加工硬化的影响 钛合金切削还和含碳量的多少有关 ,当含碳量 >0.2%时，会形成硬的碳化物，使切削加

12、工性下 降，当含碳量<0.2%时,切削加工性得到改善 谴成钛合金加工困难的重要原因就是加工硬化.严重硬化的原因是切削过程中的塑性变形,另一个是在高的切削温度下 ,钛很容易吸收大气中的氢和氮 形成硬而脆的外皮 .在正常切削条件下硬化深度为0.10.5毫米，硬化程度为20%30%.加工 硬化会降低零件的疲劳强度 ,加剧刀刃的磨损 ,给"""""""""""""""""""""&

13、quot;"""""目立"""""II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II II Ift ff ff ff ff ff 2009年第 9 期(总第 227 期) 以后的加工带来困难 . 钛合金的抗腐蚀性优于不锈钢 ,作为零部件重 量减轻的重要指标的比强度 (强度与密度之比 )也 高于铁和铝金属 .一般情况下广泛使用的钛合金Ti 一 6AI 4V,在室温下硬而脆难以进行冷间锻造 因此多

14、采用切削加工法来生产 . 四,钛及钛合金的切削加工 钛合金切削属于难切削材料之一 ,切削加工的 特点是:(1) 切削变形小 .切削过程中 ,在高的切削温度下,化学亲合性很强的钛易与大气中的氧 ,氮等 元素化合 ,从而使表面塑性降低脆性增加,因而使切削变形较小 .(2) 切削温度高 .切削钛合金时 ,与切削普通 钢相比 ,其切削变形系数小 ,产生的热量比较小 ,比 切削 45 撑钢切削温度低 .当切削速度为 40分 时,钛合金切削温度高的原因 ,是钛的导热性差 ,其 导热系数为 45#钢的 1 /5 1 /7.其次,切削钛合金 时,由于刃前钛屑积聚少 ,故带走热量少 ,这是产生 高温的另一原因

15、.(3) 切削力不大 .当切削钛合金时 ,其塑性变 化较小 ,因而切削力不大 .切削钛合金时主切削力 比切钢时平均小 20%,但径向切削力和轴向切削力 比切削钢时要大些 .切削钛合金时 ,切削分力与轴向切削力的加 大 ,说明作用于刀具面上的力要比切削钢时大些 , 这将对切削产生较大的影响 ,因为钛合金的弹性模 数较小 .大约相当钢的 1/2,因此工件容易产生塑 性变形,引起振动 ,并加速刀具的磨损和影响零件 精度 ,因此加工钛合金时要求用高刚性车床 . 加工钛合金时 ,选择磨损限度要考虑硬化 ,表 面光洁度 ,耐用性 ,特别重要的是要考虑力的因素 .般用硬质合金车刀精车和半精车时 ,限度以 V

16、B< 0.4毫米.(4) 加工硬化严重加工钛合金时 ,一个重要的特点是加工硬化严 重.其原因是由于切削过程中的塑性形成及切削 温度下空气中介质的作用而生成的硬化皮 . 在所有工艺因素中 ,影响硬化深度和硬化程度 是刀具磨损 .(5) 刀具易磨损 加工钛合金时刀具易磨损 ,原因是机械磨损 , 在粗加工时比较显着 .因为毛坯经锻造加工后存 碳 ,钛,钴粘结在一起 ,工件表面运动及切屑流出时 带走刀具质点 ,从而造成粘结磨损 .车削钛合金 时 ,刀具的磨损不仅发生在后刀面上 ,而且也发生 在前刀面上 ,有时前刀面上磨损比后刀面上磨损更 为严重 .这是因为切屑与前刀面接触面积小 ,单位压力大 ,

17、切削温度高切屑与刀具粘结 ,再加之切屑 变形系数小 ,切屑在前刀面上滑移速度高的缘故 . 五,刀具材料和切削用量的选择 加工钛合金时 ,最适合的材料是钨钴类硬质合 金在相同的切削条件下，钨钻类(YG)硬质合金 的耐用度比钨钛钻(YT)类高.(切')类硬质合金中 含钛,在高温下容易与锻件中的钛发生亲和作用,造成粘结磨损而(YG)类硬质合金中由于不含 钛,因而粘结力小 ,使粘结磨损少 ,因为钛合金导热 性差,因而应当采用导热性好的材料做刀具 .(YG)比(YT)导热系数高22.5倍，散热条件较 好.切削钛合金时 ,作用在刀具接触面上的单位压 力较大，因而应选用抗弯强度比较高的(YG)类硬

18、质合金,以防止崩刃 .粗车时，一般选用YG8及YW4,半精车和精车 时选择 YG4,YG6,YG6X 效果较好 ,在断续切削中 可选用高速钢和高钻高速钢 . 切削用量选择应从切削温度的观点出发 ,因为 高的切削温度将会因吸氧而形成硬化层 ,使工件表 面硬而脆 ,使刀具磨损剧烈 .在切削钛合金时 ,为 使切削温度合适 ,一般选用较低的速度 ,较大的切 削深度和进给量 .表2钛合金最佳切削速度ap(mm)1230.1,0.15,0.1,0.15,f(mm/ 转)0.1,020.30.2,0.30.2,0.3v(分)65,52,43,3649,40342844,30,26切削用量中最主要的选择是切削

19、速度 ,因为切 削速度对刀具耐用度的影响最大 .用 YG6X 切削TCA合金时,当取a=l毫米,f=0.1毫转时最 佳切削速度 v=60 分.当进给量和切削深度改 ?10? 强切材素 一一一删一一一一彻彻昭肋加师揶捌戤esNews装2009年第9期（总第 227 期）变时 ,最佳切削速度可按表 2 选样 . 进给量对刀具耐用度的影响较小 ,因此在保证 表面光洁度的条件下 ,可选取较大进给量一般取表 2中0.10.3毫米/转.应该指出的进给量不能选 的太小 .因为进给量太小 ,不仅使刀刃在硬化层内 切削,加剧刀刃磨损 ,而且太薄的切屑在高的切削 温度下会引起自燃 ,因而不允许进给量小于 0.05

20、 毫转 .表3车外圆（车外皮）时切削用量 进给量不同切削速度 （mm） 下的 切削速度（分）mrn/分I234O.O853.851.65O.549.50.1504846.7460.1544.24241.240.5 0.240.53937.537O.253836.535.635O.33634.433.533切削深度对刀刃耐用度的影响最小 ,因此一般 可选取较大的切削深度 .这样不仅刀尖在硬化层 以外切削 ,减少刀具磨损 ,而且还可以增加切削刃 工作长度 ,有利于散热 , 一般取 1 6 毫米 .表 4 干法与湿法车削参数的比较 刀具高速钢刀硬质合金刀 冷却方法干法湿法干法湿法 切削速度 1015202530 354055（分）进给量 0 1O.20.10.25O.10.2）.10.25（毫转） 六,冷却润滑液的选用 切削钛合金时 ,由于切削温度高 ,因而进行充 分冷却润滑降低切削温度 ,提高加工表面质量和刀 具耐用度均有显着效果 .车削钛合金时 ,采用提高 抗粘着性的新型润滑膜的润滑方法 ,可以采用防锈 乳化液和极压乳化液 ,用高压冷却法效果更好 . 附录:铣削工艺 吃刀深度铣削速度走刀量牌号（mm）（m/ 分）（ram/转）TA1TA2,5 744 630.3 O.7TA3 刨削工艺 吃刀深度铣削速度走刀量牌号（mm）（rn/分）（ram/转）