淺談鈦合金材料特性及其磨削特點

楊 蒙

（中煤科工集團西安研究院有限公司 陜西 西安 710000）

0 引言

鈦金屬在地殼中比較豐富，儲量超過銅、鋅等常見金屬。鈦合金則是鈦和其他金屬混合制成的合金材料，具有較高的強度、耐熱性和耐腐蝕性[1]?；谶@些優良特性，鈦合金的應用市場廣闊，主要集中在航空航天、生物化學等領域。本文結合相關工作經驗，探討了鈦合金材料特性和磨削工藝。

1 鈦合金材料的特性

1.1 優點

（1）比強度大。和鋼材相比，鈦合金材料的強度相當，但密度只有鋼材的60%左右，約為4.5 g/cm3；彈性模量遠低于鋼材，在1.078×105～1.176×105MPa[2-3]。也就是說，鈦合金材料的強度和鋼材類似，但自重小、彈性好，方便運輸吊裝和加工制造。得益于這一特性，可制造出剛性好、質量輕的零部件，例如發動機構件、飛機骨架、起落架、緊固件等。

（2）熱強度高。鈦元素的熔點為1 725 ℃，導熱系數為15.24 W/（m·K），中等溫度下依然能保持良好的強度。和鋁合金相比，環境溫度達到150 ℃強度明顯降低，而鈦合金在450～500 ℃的環境下，依然能達到一定強度要求。

（3）耐腐蝕性強。鈦合金材料中的化學成分，和空氣中的氮氣、氧氣發生化學反應，會在材料表面生成保護層，從而提高抗腐蝕性能[4]。針對點蝕、酸蝕、應力腐蝕，具有較強的抵抗力；針對強酸和有機物品，抗腐蝕性良好。

1.2 缺點

（1）高溫加工性能差，當環境溫度超過一定限度，此時鈦合金材料的抗蠕變性變差，繼而表現出脆性，不利于材料加工。

（2）冷壓加工困難，因為鈦合金材料的彈性模量小，冷壓加工會出現較大的回彈現象，繼而產生震動導致無法成形。

（3）切削難度大，因導熱性能較差，切削時不利于散熱，切削時因溫度升高可能粘附在切削工具上，不僅影響切削質量，還會損傷工具[5]。

（4）精煉、熔融和鑄造技術與傳統的合金不同，導致鈦合金價格昂貴，當前在民生用品領域應用較少。

2 鈦合金材料磨削的特點、注意事項和工藝優化

2.1 磨削特點

基于鈦合金材料的特性，磨削時具有以下5大特點。

（1）變形系數小。對鈦合金材料磨削時，變形系數≤1，由于磨削路程增加，刀具磨損的速度加快。

（2）磨削溫度高。鈦合金的導熱系數小，只有45號鋼的1/7～1/5，磨削過程中產生的熱量無法及時散發，熱量累積在材料本身，尤其是磨削區，超過承受的溫度范圍就會燒傷工件，合金材料本身也出現損壞。

（3）單位面積切削力大。切削時，鈦合金材料和前刀面的接觸較短，單位面積上的切削力大，可能出現崩刃現象[6]。另外，鈦合金的彈性模量小，雖然整個磨削時間不長，但高溫作用明顯，溫度可達到1 000 ℃以上，造成鈦合金變形、彈性振動，影響加工精度。

（4）存在冷硬現象。鈦元素的化學活性強，磨削產生的高溫環境下，鈦合金材料表皮發生化學反應，不僅合金彈性降低，而且表面硬化，加工過程更加復雜，會降低零件的抗疲勞強度。

（5）刀具易粘接磨損。砂輪和鈦合金材料在接觸過程中，摩擦引起高溫，會導致鈦合金發生變形，粘附在砂輪上或磨粒脫落，造成砂輪損壞。磨削時產生的熱量，容易燒傷工件，刀具的更換頻率提高[7]。

以綠碳化硅砂輪磨削鈦合金為例，碳化硅會和氧氣發生化學反應：SiC+O2→SiO2+C-768 696.48J。反應速度快，會釋放大量能量，不僅導致砂輪表面的材料腐蝕、剝落，還可能造成零件表面燒傷。

2.2 注意事項

考慮到鈦合金材料的磨削特點，磨削時注意事項總結如下：（1）因為彈性模量小，加工時夾緊、受力易造成變形，會影響加工精度，因此使用工件夾緊時，應合理控制緊固力，必要時使用支承裝置進行輔助固定。（2）切削過程中，如果使用的切削液中含有氫，高溫狀態下會釋放出氫氣，和鈦元素反應后導致表層變脆，或者高溫下應力腐蝕而開裂[8]。（3）如果使用氯化物，磨削過程中會揮發有毒氣體，提示加工人員采取安全防護措施；加工后清洗零部件時，應使用不含有氯的清洗劑。（4）選擇工具、夾具時，不能使用含有鉛或鋅的合金，而且要保證工具、夾具潔凈，不能存在油脂污染。（5）微量切削鈦合金時，切下的細小碎屑可能燃燒，為了避免燃燒發生，應及時清理機床上的切削，及時更換刀具，或者調整切削速度。一旦燃燒，使用滑石粉、干粉滅火器撲滅。

2.3 工藝優化

（1）合理選擇刀具。對鈦合金材料進行磨削加工時，合理選擇刀具是第一步，應該從鈦合金的材料特性、刀具的材質特征兩個方面進行考慮。合適的刀具配合科學的方法，才能提高加工精度質量。結合生產實踐，常用的刀具材質有：硬質合金、高速鋼、聚晶金剛石、立方氮化硼等。其中，立方氮化硼不僅硬度高，而且可以耐高熱，在不少企業中應用；聚晶金剛石的使用，能適應鈦合金在磨削時高熱、高速的要求，其穩定性較好，目前也廣泛應用；涂層刀具的優點，是抗氧化性、抗粘連性較好，能在復雜條件下加工，具有良好的發展前景[9-10]。

（2）改善磨削條件。對鈦合金磨削加工時，應改善磨削條件，對機械加工系統進行優化。實際加工時，加工人員應調整機床結構的參數，確保主軸零部件平穩運行，提高產品加工標準。此外，刀具不能長時間使用，應掌握刀具的損耗特征，定期更換刀具[11]。以磨削深度和砂輪速度為例，可通過試驗確定減少砂輪粘附磨損的磨削參數。使用能譜分析儀對磨削后的砂輪進行分析，計算鈦合金相對砂輪的特有成分Al、砂輪中的成分Si比例，從而確定砂輪的粘附率。

切入式磨削，磨削深度就是工件轉一周時，相對于砂輪的徑向移動距離。在無心磨床上，工件速度Vw和導輪線速度Vc相等，即Vw=Vc，這兩者的計算方法是：

使用GC 60 KV砂輪磨削TC4材料，當工件速度為2.5 m/s，磨削距離為100 mm時，通過試驗得到砂輪粘附率見表1。分析可知：對TC4材料磨削時，最佳磨削深度為0.05～0.1 mm，最佳砂輪速度為25 m/s，此時砂輪粘附率最小。

表1 砂輪粘附率試驗結果統計表

（3）控制切削范圍。鈦合金材料切削時，控制切削范圍需要注意以下幾點：首先控制好切削速度，不僅影響刀具的切削強度，也關系到刀刃的使用壽命。其次控制好切削深度，一般來說切削深度不能太淺。加工作業中，適當減慢切削速度，并增加切削深度，有助于提高切削質量。

（4）改造冷卻方式

針對當前冷卻潤滑系統的缺陷，我們通過技術改造研發出一套新型的冷卻潤滑系統，改造要點是：①在主噴嘴的基礎上，加裝一個輔助噴嘴，能隔離回轉氣流；②在砂輪對應方向上，加裝一個高壓噴嘴，用于清洗工件。改造后，能防止鈦合金工件的廢屑積聚在砂輪表面。為了確保液體供應，我們對供液壓力、流量、噴嘴結構及尺寸等指標進行優化，配合高效率的吸風排風裝置，防止油霧噴濺。以GC 60 KV砂輪磨削TC4材料為例，對比改造后的冷卻效果見表2。分析可知：增加輔助噴嘴和清洗噴嘴，能減輕砂輪磨損，防止零件表面燒傷，并且有助于提高零件的圓度指標。

表2 冷卻系統改造效果比較

3 無心磨削技術在鈦合金材料加工中的應用

3.1 無心磨削特點

磨削工藝中，無心磨削是一種特殊類型，工件在無心磨床上，只有磨削點被磨削，而支承點沒有被磨削，工件本身會不斷變化。鈦合金采用無心磨削技術，因工件中心沒有定位，容易造成磨削外圓不圓的問題。因此，企業和加工人員關注的重點，是工件如何被磨圓。

3.2 無心磨削成圓理論

無心磨削時，鈦合金工件的被磨削表面、定位表面，都是工件表面。第1圈，工件原始表面誤差為Δ0，和導輪、托板接觸時的定位誤差為ΔF，這兩者聯合作用并反映到磨削點上，工件表面磨削后的加工誤差就是Δ1。第2圈，以上誤差再次出現，最終形成加工誤差Δ2。以此類推，隨著磨削進行，工件轉過第m圈，加工誤差就是Δm。而且，這些加工誤差的關系見式5。

也就是說，無心磨削過程中，鈦合金工件會越磨越圓，加工誤差也會越來越小。然而，這一結論是在理想狀態下，實際上工件表面并不光滑，微觀上看是凹凸起伏的，要想使工件磨圓，就要多磨凸起處，不磨或少磨低凹處，才能提高磨削精度。工件存在原始表面誤差，定位時發生位移是定位誤差，這兩者之和就是合成誤差。為了減少合成誤差，采取的措施包括：

第一，提高磨削前半成品的外圓質量。對比數控車床和六角車床對半成品進行加工，前者加工后的圓度誤差更小，僅有0.007～0.008 mm；而后者因加工精度低，圓度誤差達到0.01～0.02 mm。因此，半成品在磨削前，首先減小原始誤差，就能減小磨削后的圓度誤差。

第二，提高托板的制造質量。托板的平面度越高，定位誤差越小，零件加工的圓度誤差越小。試驗數據顯示：托板支撐斜面的平面度，從0.002 mm變為0.0004 mm，工件表面的粗糙度從Ra1.6提升至Ra0.8。另外，也可以在托板支撐面上，使用鑲嵌式的硬質合金，提高托板的耐磨性，減小磨損引起的定位誤差。

第三，清理砂輪表面的殘留物。使用高壓清洗裝置，對砂輪表面的粘附物進行及時清洗，有助于減小定位誤差。一方面合理選擇砂輪參數，優化設備的冷卻潤滑系統；另一方面可增加驅動器，促使無心磨床對砂輪進行自動修整，去除砂輪表面的粘附物，對誤差進行自動補償[12]。

3.3 應用成果

以某鈦合金材料為例，是D型螺栓材料，牌號為TC4，原形態是棒料，加工工藝流程是：熱處理→加工外形→加工平端面及倒角→銑扁→滾壓螺紋→去毛刺→磨外圓。在磨外圓環節，采用無心磨削工藝，要求圓度達到0.004 mm，表面粗糙度為0.8。

砂輪和磨削參數確定如下：①砂輪選用綠碳化硅材料，粒度為60粒，硬度選擇K級，砂輪代號為GC 60 KV。②砂輪規格：外徑455 mm，寬度80 mm，孔徑228.6 mm。③砂輪速度為25 m/s，轉速為1 050 r/min。④進給量粗磨時為0.02 mm/str，精磨時為0.001 mm/str。⑤磨削余量粗磨時為0.15 mm，精磨時為0.05 mm，將圓度誤差控制在0.01 mm以內。⑥無心磨床型號是CM100-D，設備主軸為高精度的極限間隙滾動軸承，并且配置清洗裝置。⑦砂輪自動修整、自動進給補償、自動上下料，經過編程實現。

常規加工作業時，使用白剛玉砂輪磨削，砂輪磨損嚴重，而且加工效率低，批量加工時還易造成工件燒傷現象，燒傷率為15%；圓度要求合格率僅為50%～80%。通過優化砂輪參數，控制磨削用量，重新對設備進行編程，結果顯示工件加工后圓度合格率為98%，不僅滿足圓度要求，而且表面沒有燒傷現象，可見優化工藝后的成果顯著，見表2。

表2 工藝改進前后的磨削結果比較

4 結語

綜上所述，鈦合金材料剛度強度大、熱強度高、耐腐蝕性強，具有廣闊的應用市場。結合鈦合金材料的磨削特點和注意事項，合理選擇刀具，改善磨削條件，控制切削范圍，能提高磨削精度和質量。本文以無心磨削工藝為例，工藝改進后不僅滿足圓度要求，而且表面沒有燒傷現象，是一種安全可行的磨削工藝，具有較高的推廣價值。在未來，隨著鈦合金材料的應用范圍更加廣泛，為了保證材料特性，對于加工環節提出更高要求。對鈦合金材料進行磨削加工時，只有不斷改進工藝，優化設備儀器，加強質量管理，才能獲得高精度、高性能的鈦合金工件，為后續生產制造打下堅實基礎。