鈦和鈦合金的概述：Ti在地殼中的豐度為0.56%(質量分數(shù),下同),在所有按元素中居第9位,而在可作為結構材料的金屬中居第4位,僅次于Al、Fe、Mg,其儲量比常見金屬Cu,Pb,Zn儲量的總和還多。我國鈦資源豐富,儲量為世界。鈦合金的密度小,比強度、比剛度高,抗腐蝕性能、高溫力學性能、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)摿蛻们熬暗慕Y構材料。近年來,世界鈦工業(yè)和鈦材加工技術得到了飛速發(fā)展,海綿鈦、變形鈦合金和鈦合金加工材的生產(chǎn)和消費都達到了很高的水平,在航空航天領域、艦艇及兵器等軍品制造中的應用日益廣泛,在汽車、化學和能源等行業(yè)也有著巨大的應用潛力。 2001年以來鈦得到了更加廣泛的應用，在一些新興市場上應用的跡象得到了增長，如汽車、石油和天然氣。從長遠來看，汽車上的用鈦量將不斷增加，成為鈦應用的一個更有保障的競爭領域。在高端消費品領域鈦合金的應用也已經(jīng)基本成熟，如鈦合金在高爾夫球桿和網(wǎng)球拍上的應用。當今社會老齡化問題越來越嚴重，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熱門且具有廣闊的應用發(fā)展前景。以上新興市場鈦的消費量每年都呈增長趨勢，2001年鈦消費量為6000噸，2006年增加到10000噸。2007年以后隨著經(jīng)濟的發(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，特別是航空航天領域將成為未來幾年國際市場的主要消費和應用領域。 鈦及鈦合金具有許多優(yōu)良特性,主要體現(xiàn)在如下幾個方面:
(1)比強度高。鈦合金具有很高的強度,其抗拉強度為686~1 176 MPa,而密度僅為鋼的60%左右,所以比強度很高。
(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械性能,其耐熱性遠高于鋁合金,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550~600e;在低溫下,鈦合金的強度反而比在常溫時增加,且具有良好的韌性,低溫鈦合金在-253e時還能保持良好的韌性。 (5)鈦的抗腐蝕性強。鈦在550e以下的空氣中,表面會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及強堿中,其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。
鈦合金的特點
鈦合金的優(yōu)點：①重量輕；②比強度高；③耐金屬疲勞；④化學性能穩(wěn)定。 鈦合金的缺點：①切削加工性差；②溫度超過400℃則強度降低（因此用于發(fā)動機的低溫部分）。 鈦合金難切削的主要原因：①熱傳導率低，刀尖易聚熱；②切削熱引起的高溫造成粘結，導致刀具壽命降低；③與鋼相比，鈦合金彈性模量小，回彈效應可能引起高頻顫振、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） 切削速度過高會產(chǎn)生大量切削熱，導致刀具壽命降低，因此應避免采用過高的切削速度。 ②縮短刀具與工件的接觸時間 刀具與工件接觸時間越長，產(chǎn)生的熱量就越多，會導致刀具壽命降低。而刀具直徑越大，接觸時間就越長，因此在允許的范圍內，應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，接觸時間越長，會增加發(fā)熱量。因此，加工時不宜加大切削寬度，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。 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）。 鈦合金加工實例 （1）ISCAR公司風火輪銑刀加工鈦合金實例 風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FRW
D34A50-04-22-16，刀片型號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，進給速度98mm/min。與普通圓刀片相比的功率與排屑量如下：風火輪刀片：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%。即使進給速度提高到原來的2倍（196mm/min），仍可得到相同的結果。此外，切屑也被分割得更細，刀具不易崩刃，刃口狀況良好。 （2）超高壓切削油使用實例 使用ISCAR公司的CUT GRIP硬質合金切槽刀并采用超高壓切削油加工壓縮機殼體時的加工條件：工件材料：Ti-6Al-4V；使用刀具：刀桿型號BHC8，刀片型號GIPY8.00-4.00IC20；切削條件：切削速度100m/min，進給量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，加工時間縮短為原來的1/3。同時，大幅度改善了切屑處理效果，減少了因粘結引起的突發(fā)性打刀，實現(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。采用標準的耐用度試驗方法大范圍地選擇刀具時，工件材料和時間的消耗極大，技術上難以實施。***近Yuan 等[39]根據(jù)上百條磨損曲線的統(tǒng)計分析，提出一種基于刀具初期磨損的刀具快速篩選技術，可以在幾天之內消耗幾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、憑類比，而很少以科學、系統(tǒng)的試驗結果為依據(jù)。國外刀具供應商推薦的參數(shù)雖然可能經(jīng)過較系統(tǒng)的試驗，但由于試驗條件與國內生產(chǎn)環(huán)境的差異，所推薦的切削參數(shù)未必適用。（3）加工成本的構成問題。 加工成本構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。
