钛合金具有比强度高，耐腐蚀性能好等优点，已成为一种优异的航空航天结构材料，70年代以来，钛合金锻件在飞机上的应用已比较常见，但钛合金零件不易加工，且加工余量大，机械加工费用为整个零件价格的70%~80%。那么钛合金为什么这么难加工呢，又该如何加工呢？

钛合金·发展历程

“自从1790年发现钛元素以来，人类为了获得它超凡的性能，而开展了长达百年的艰辛探索。”

1910年人类第一次制得金属钛，但直到40年后的1951年才最终实现钛的工业化生产，60年代我国才开始钛合金的制与应用工作。

钛合金·加工难度

如今，钛合金因为具有比强度高、耐腐蚀、耐高温、抗疲劳等良好的特性，成为了当代飞行器和发动机的主要结构材料之一，被广泛应用于飞机结构零部件和耐热零部件上，因此，钛合金又被成为“空间金属”。

然而钛合金也有4个致命缺点：热传导率低、加工硬化严重、与刀具的亲和性高、塑性变形小。这些特性导致钛合金极难加工。其中，钛合金的被切削指数只相当于易削钢的20%！

1 热传导率低

大多数的钛合金的热导率很低，只有钢的1/7，铝的1/16。因此，在切削钛合金过程中产生的热量不会迅速传递给工件或被切屑带走，而集聚在切削区域，所产生的温度可高达1 000℃以上，使刀具的刃口迅速磨损、崩裂和生成积屑瘤，快速出现磨损的刀刃，又使切削区域产生更多的热量，进一步缩短刀具的寿命。

切削过程中产生的高温同时破坏了钛合金零件的表面完整性，导致零件几何精度下降和出现严重减少其疲劳强度的加工硬化现象。

2 加工硬化严重

深孔钻孔时应使用短而尖的钻头和低速强制进给，反复紧固支撑架并充分冷却；并且钻头不要再孔内打转，应在孔内应保持恒定速度钻进状态；每次钻孔前，先将钻头退回，然后清洁钻头、钻孔和清除切屑；最终破孔时，采用强制进给即可。

3 与刀具的亲和性高

尽量避免加工盲孔或过长的通孔，以防止内螺纹表面粗糙度变大或出现断锥现象；同时，在通过表面氧化、氧化或镀铬的丝锥也可以减少咬合和磨损。

4 塑性变形小

回弹严重，其为45钢的弹性模量的一半，造成摩擦严重，工件易装夹变形。

钛合金·加工工艺

为应对钛合金难加工的问题，目前主要的钛合金机械加工的方法主要包括：车削、铣削、镗孔、钻削、磨削、攻丝、锯削、电火花加工等。

1 车削和镗削：车削和镗孔都不是特别难的工序，对于连续切削、批量生产或大量金属去除的切削，通常使用硬质合金刀具。成形切削、车削或切削时，可用金属陶瓷刀具，以恒定的强制进给用来避免切割中断，切割过程不要停止或减速。

2 钻探：深孔钻孔时应使用短而尖的钻头和低速强制进给，反复紧固支撑架并充分冷却；并且钻头不要再孔内打转，应在孔内应保持恒定速度钻进状态；每次钻孔前，先将钻头退回，然后清洁钻头、钻孔和清除切屑；最终破孔时，采用强制进给即可。

3 敲击：尽量避免加工盲孔或过长的通孔，以防止内螺纹表面粗糙度变大或出现断锥现象；同时，在通过表面氧化、氧化或镀铬的丝锥也可以减少咬合和磨损。

4 锯切加工：锯切时应采用低表面速度，连续强制进给，节距为4.2 mm ~ 8.5 mm的粗齿高速钢锯片适用于锯切钛合金；如果使用带锯钛合金，锯片节距由工件的厚度决定，一般为2.5 mm ~ 25.4 mm，材料越厚，节距越大，过程中要保持强制供给能力并准备所需的冷却液。

5 低成本：发展不含或少含贵金属元素，添加铁、氧、氮等廉价元素的合金，开发易加工成形、易切削加工、合金元素和母合金廉价的钛合金，这对降低民用钛合金成本至关重要；

6 电火花加工：般铜和锌是最好的电极材料，钛合金的EDM要求刀具和工件之间有操作间隙，范围最好是0.005mm±0.4mm；较小的间隙通常用于需要光滑表面的精加工，而较大的间隙用于需要快速去除金属的粗加工。

7 数控加工：控加工是用计算机控制机床从固体金属片上切割零件的过程。钛是一种由钛、钒和碳制成的合金。它是最难加工的金属之一，因为它具有很高的耐磨和腐蚀性。这使得钛经常用于航空航天和其他高科技应用，耐用性和可靠性是其中的关键。钛合金因其高硬度而难以加工。在切割过程中，加工钛零件需要大量的时间，因为即使是最轻微的错位也会导致零件失效。

由于其高硬度和低重量，钛被广泛应用于各种行业，包括航空航天、汽车、医疗设备等领域。然而，由于其成本高和难以加工成所需的形状和尺寸，钛零件通常使用传统的方法制造，比如铣削。数控加工是一种较新的技术，能够以比传统方法更快的速度生产精确的钛零件。

加工钛合金的工艺诀窍

(1) 采用正角型几何形状的刀片，以减少切削力、切削热和工件的变形。

(2) 保持恒定的进给以避免工件的硬化，在切削过程中刀具要始终处于进给状态，铣削时径向吃刀量a e应为半径的30%。

(3) 采用高压大流量切削液，以保证加工过程的热稳定性，防止因温度过高导致工件表面变性和刀具损坏。

(4) 保持刀片刃口锋利，钝的刀具是热集结和磨损的原因，容易导致刀具失效。

(5) 尽可能在钛合金最软的状态加工，因为淬硬后材料变得更难加工，热处理提高了材料的强度并增加刀片的磨损。

(6) 使用大的刀尖圆弧半径或倒角切入，尽可能把更多的刀刃进入切削。这可以减少每一点的切削力和热量，防止局部破损。在铣削钛合金时，各切削参数中切削速度对刀具寿命vc的影响最大，径向吃刀量（铣削深度）ae次之。

（7）因为在加工过程中，工件的钛分子在刀片的前面积聚，在高压高温下“焊接”到刀刃上，形成积屑瘤。当积屑瘤从刀刃上剥离时，将刀片的硬质合金涂层带走，因此，钛合金加工需要特殊的刀片材料和几何形状。

钛合金·未来展望

随着钛合金加工技术日趋成熟与加工设备、刀具的不断改进，目前已实现超大型结构件和精密复杂零件的稳定加工，其加工精度可稳定在0.2毫米，局部能够达到0.1毫米甚至更精细，钛合金加工效率较之前已有显著提高。

按照现阶段发展趋势，未来，国内外钛合金加工技术或将朝着以下几个方向发展：

1 高性能

即发展使用温度更高、比强度更高、比模量更高、耐蚀性及耐磨性更好的合金；

2 多功能

即发展各种特殊功能和用途的钛合金，以使钛和钛合金的应用进一步扩大；

3 实用性

通过设备和工艺改进，改善现有合金的实用性能，扩大传统合金使用范围；

4 新技术

采用新型加工技术，例如冷成形技术等，提高钛合金的生产效率、成品率和产品的性能；

5 低成本

发展不含或少含贵金属元素，添加铁、氧、氮等廉价元素的合金，开发易加工成形、易切削加工、合金元素和母合金廉价的钛合金，这对降低民用钛合金成本至关重要；

6 高科技

采用先进的计算机技术模拟工件变形加工过程，预报金属微观组织的演变，乃至预报Z终产品的力学性能，提高工作效率，降低研制成本。

相信随着航空工业广大科技工作者的不断研究、探索，我们对钛合金的了解逐渐加深，对于钛合金的加工会涌现更多技术手段，为我国的航空事业做出更大的贡献！

文章来源： 材料PLUS，钢易通，昆山安蒂克精密工具，章仕仁，拓发机加工