鈦合金材料重量輕，密度是4.4 kg八3，比強度高，是航空航天等領(lǐng)域的重要金屬材料。但其加工性能較差，特別是鉆孔和攻絲的效率很低，在很大程度上制約著產(chǎn)品中鈦合金零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。這里分析了鈦合金材料及其切削特性在鉆孔和攻絲中表現(xiàn)出來的具體特點，特別對刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和刀具幾何參數(shù)等進行了反復(fù)研究和試驗，并采取了相應(yīng)措施，較好地解決了鈦合金鉆削和攻絲加工過程中存在的難題。

1鈦合金性能特點和加工特性分析

1. 1鈦合金性能特點

鈦合金即在工業(yè)純鈦中加入合金元素，以提高鈦的強度。鈦合金可分為三種:峽太合金，隘合金和二+隘合金。c1+隘合金，如TC4(Ti一6A1一4V)，此種鈦合金由咖卿相組成，這類合金組織穩(wěn)定，高溫變形性能、韌性、塑性較好，能進行淬火和時效處理使合金強化，是航空業(yè)重要的原材料。鈦合金的性能特點，主要表現(xiàn)在:

a)比強度高。鈦合金密度小(4.4 kg/m3)，重量輕，其比強度卻大于超高強度鋼。

b)熱強性高。鈦合金熱穩(wěn)定性好，在300℃一500℃條件下，其強度約比鋁合金高10倍。

c]化學(xué)活性大。鈦的化學(xué)活性大，與空氣中的0, N, CO,水蒸氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)，在鈦合金表面易形成TiC及TiN硬化層。

d)導(dǎo)熱性差。鈦合金導(dǎo)熱性差，鈦合金TC4在20℃時的熱導(dǎo)率X=16.8 W/m?℃，導(dǎo)熱系數(shù)是0.036 cal/(cm?:?℃)。

1. 2鈦合金加工特性分析

由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅是鋼的114,鋁的1113,銅的1125,因而散熱慢，不利于熱平衡，特別是在鉆孔和攻絲加工過程中，散熱和冷卻效果很差，在切削區(qū)形成高溫，加工后回彈大，造成鉆頭和絲錐扭矩增大，刃口磨損快，耐用度降低。同時，由于鈦合金變形系數(shù)小于或接近于1，這是鈦合金加工時的一個顯著特點。因此，切屑在前刀面上滑動摩擦的路程加大，加速刀具磨損。此外，鈦合金化學(xué)活性高，在高溫高壓下加工，與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷，擴散而成合金，造成粘刀具，切屑不易排除，往往產(chǎn)生鉆頭被咬住、扭斷鉆頭等現(xiàn)象。

2鈦合金的鉆削加工

通過對鈦合金加工特性的分析，了解了影響鈦合金鉆削加工的因素，即在加工過程中及易出現(xiàn)燒刀、斷鉆、刀具磨損快等間題。因此，著重對鉆頭材料、鉆頭幾何參數(shù)、鉆削用量以及冷卻液等進行了研究，并較好地解決了這一間題。

2.1鉆頭材料

鉆頭材料應(yīng)滿足以下要求:

a)足夠的硬度。鉆頭和絲錐的硬度必須大于鈦合金的硬度。

b)足夠的強度和韌性。由于鉆頭和絲錐在加工鈦合金時承受很大的扭轉(zhuǎn)力和切削力。因此，必須有足夠的強度和韌性。

C)足夠的耐磨性。由于鈦合金韌性好，加工時切削刃要鋒利，因此刀具材料必須有足夠的抵抗磨損能力，這樣才能減少加工硬化。

d)刀具材料與鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學(xué)活性高，因此要求刀具材料和鈦合金親合能力要差，以免形成溶敷，擴散而成合金，造成粘刀、斷鉆等現(xiàn)象。

綜上所述，經(jīng)過對常用的刃具材料W18C二4V,硬質(zhì)合金(YG8)、W6Mo5C二4V3Al, W12C二4V4Mo和W2Mo9C二4VCo8等制造的鉆頭和絲錐進行試驗分析，結(jié)果表明由材料W2Mo9Cr4VCo8制造的鉆頭和絲錐加工鈦合金時刃口鋒利、磨損小，效率有了顯著的提高，是比較理想的刃具材料。

W2Mo9Cr4VCo8屬于高速鋼的一種，用該材料制造的鉆頭和絲錐之所以適合加工鈦合金，與該材料的化學(xué)成分有關(guān)(材料化學(xué)成分見表幼。該材料含有7. 5%-8. 5%的金屬元素鉆。鉆的主要作用是能加強二次硬化的效果，提高紅硬性和熱處理后的硬度，同時，具有良好的散熱性。因此，含鉆高速鋼具有高的切削加工件能。

2. 2改變鉆頭幾何參數(shù)

鈦合金的加工特性決定標準麻花鉆頭鉆削加工鈦合金時存在許多間題，主要表現(xiàn):

a)鉆頭頂角2T小，切削刃長，切下的切屑寬，因而鉆頭扭矩大，軸向抗力也大。同時，切屑卷曲成螺旋狀程度大，切屑所占的空間也大，排屑不順暢，影響冷卻。

b)鉆頭鉆心厚度劍，由于鉆削加工鈦合金時鉆頭承受很大扭矩和軸向抗力。鉆心厚度小，則鉆頭強度低，鉆頭易折斷。鉆頭螺旋角叼、C)螺旋角直接影響主切削刃的前角。螺旋角大，則刃口鋒利，切削輕快，否則會造成加工硬化。

d)鉆頭外緣處后角of小，影響鉆心處切削刃的前角。

2. 2. 1增大鉆頭頂角2T

a)鉆頭頂角決定切屑寬度和鉆頭前角的大小。當鉆頭直徑和進給量一定時，增大頂角2甲，則切削寬度變窄，單位切削刃上的負荷減輕。同時，鉆頭外圓處的刀尖角減小，減小了刀尖角的磨損速度，同時有利于散熱，耐用度也得到提高。

b)頂角對前角有很大影響。當頂角等于900時，主截面為軸向截面，其前角就是某點所處的螺旋角。因此，增大頂角2T有利于改善鉆心處的切削條件。頂角影響切屑流出的方向。頂角大，切屑卷曲成螺旋的程度減小，且比較平直，容易排除，即提高了排屑性能。

通過分析試驗，在加工鈦合金時，采取增大鉆頭頂角2T，2T范圍是1350一1400，結(jié)果表明鉆削效果良好。

2. 2. 2選擇合適的鉆頭螺旋角

a)鉆頭螺旋角障接影響主切削刃前角的增加和減小。確增加，前角也增加，切削輕快，易于排屑，扭矩和軸向力也小。式中，D為鉆頭直徑:P為螺旋槽導(dǎo)程。

b)由上式看出，切削刃上各點確是變化的?？拷鈭A處確最大，前角也最大，切削刃鋒利，切削性能好。而靠近鉆心處確最小，切削性能較差，將通過此處磨成圓弧狀，以改善切削條件。

隨確增加，切削刃強度減弱，磨損快，甚至會發(fā)生切削刃燒毀等現(xiàn)象。因此合理選擇確，以適合鈦合金鉆削加工。

通過分析試驗，增大后鉆頭的螺旋角

2. 2. 3增大鉆心厚度

由于在鉆削加工鈦合金時鉆頭承受很大扭矩和徑向抗力，特別是小直徑鉆頭，容易折斷，因此增大鉆心厚度，以提高鉆頭強度。鉆心厚度一般為:式中，D為鉆頭直徑。

2. 2.4增大鉆頭外緣處后角

鉆頭切削刃各點上的后角是不等的，愈接近中心，其后角愈大，因此，鉆頭后角的標注和要求，都以鉆頭外緣處為準。

由于切削表面為螺旋面，切削刃上任一點的切削速度的方向為螺旋線，由展開圖5可以看出，實際后角A小了一個確。其大小由下式計算:Sgo二fhrD式中，f為鉆頭走刀量:D為鉆頭在該點的直徑。

由上式看出，走刀量增加，切削刃上的點愈接近中心，甲角愈大，鉆頭實際后角愈小。這就要求有不等的后角v，由此向鉆心逐漸增加。為了適合鈦合金加工，總結(jié)出的后角of見表3,增大鉆頭外緣處后角可以使橫刃鋒利改善切削性能。特別是對鉆心處的鉆削加工有明顯改善2. 2. 5鉆頭加工成倒錐x鉆頭加工成倒錐減小棱帶同孔壁摩擦，使鉆頭切削時扭矩減小.倒錐角度見表4,經(jīng)過分析試驗按照上述幾何參數(shù)加工的鉆頭鉆削加工鈦合金時效果良好，效率可提高40$左右2. 3鉆削用量鈦合金的性能特點要求鉆削加工鈦合金時轉(zhuǎn)諫要低，進給量要適中。表5是鉆削加工鈦合金的鉆削用a效果:我單位在鈦合金上鉆削(4. 2，(D5，(D8，012，(D23孔，一次鉆出效率比標準麻花鉆頭有顯著提高。例如:鉆孔直徑(4. 2,深18。，鉆一個孔約需4二約鉆25飛。個孔，刃磨一次;鉆孔直徑CD5,深18。，鉆一個孔約需4二約鉆25飛。個孔，刃磨一次;鉆孔直徑(D8,深20。，鉆一個孔約需8二約鉆1822個孔，刃磨一次;鉆孔直徑中12,深20。，鉆一個孔約需抖二約鉆15飽。個孔，刃磨一次:鉆孔直徑(D23,深24。，鉆一個孔約需24二約鉆1015個孔，刃磨一次。

2.4 fi3}rR

鉆削和攻絲加工鈦合金時最好不用含氫的冷卻液，避免產(chǎn)生有毒物質(zhì)和引起氫脆。鉆削淺孔時，可用電解切削液，其成分是:葵二酸Y%}10%,三乙醇胺Y%}10%,甘油Y%}10%,硼酸Y%}10%,亞硝酸鈉3%}5%%，剩余為水。

鉆削深孔時，用N32機械油加煤油，西己比是3:1. 5,也可用硫化切削液。

3鈦合金的攻絲加工

鈦合金攻絲加工，特別是小孔攻絲加工是很困難的。其主要原因是由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，在攻絲加工過程中，切削區(qū)形成高溫，造成鈦合金熱膨脹，另外，鈦合金加工后回彈大，孔壁擠壓絲錐，甚至將牙型面包住，絲錐不能轉(zhuǎn)動，否則將絲錐折斷。

經(jīng)過大量分析試驗，最后主要通過改進絲錐結(jié)構(gòu)形式和選擇適合鈦合金刀具材料解決了這一難題。

3. 1絲錐材料

絲錐材料同鉆頭材料。

3. 2絲錐結(jié)構(gòu)形式

標準絲錐一次切削成形，切削量大，扭矩也大，孔壁熱膨脹和回彈后，絲錐轉(zhuǎn)動困難。為了解決這一間題，改進了絲錐的結(jié)構(gòu)形式，將標準絲錐的一次切削加工，分為工、II, II工三錐切削，同時，將絲錐加工成跳齒型，很好地解決了斷屑間題，切削輕快，效果非常好，效率大大提高，冷卻效果也得到了改善。

M5跳齒絲錐的結(jié)構(gòu)形式，見圖6,跳齒絲錐的幾何參數(shù)，見表6,絲錐的技術(shù)條件:a)切削部分的硬度HRC62一64,其余HRC32一42; b)刀齒寬度的2兒沿螺紋齒形鏟螺紋底孔設(shè)計根據(jù)鈦合金的特性加工螺紋底孔時孔徑公差可放大一些。螺紋公差帶位置和精度等級確定后，在成歇滿足內(nèi)螺紋小徑D1公差等級的清況下，適當加大螺紋底孔直徑，冷卻后螺紋底孔的收縮量，能夠抵消這一部分的加大量，加工后的螺紋滿足設(shè)計精度要求。由于不同牌號的鈦合金、不同的鍛造熱處理方法、不同的結(jié)構(gòu)形式等廈因，螺紋底子L加大的量也不同，根據(jù)具體.嗜況進行試加工來確定。

3.4冷卻液

鈦合金玫絲時使用的冷卻液與鉆削加工時使用的冷卻液相同。

4結(jié)束語

通過對鈦合金的特性分析，重點解決了鈦合金鉆削和攻絲加工過程中存在的難題，并取得良好效果，得出如下結(jié)論:

[1)W2Mo9C二4Vo8材料的鉆頭和絲錐適合鈦合金加工;[2)改進鉆頭幾何參數(shù)，可使鈦合金零件的加工效率有顯著的提高;[3)改進絲錐結(jié)構(gòu)形式，可使鈦合金零件的加工效果得到明顯的改善;[4)配制適合鈦合金加工的冷卻液，可延長切削刀具的壽命。