一、常見故障分析在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),鈦合金機械加工表面質(zhì)量常見故障有過腐蝕、掛灰、氧化皮未除盡及條紋狀花斑幾種。

1.過腐蝕過腐蝕是指酸洗后鈦合金表面出現(xiàn)麻坑或凹凸不平等缺陷,和材料組織顯露有所區(qū)別。一般導(dǎo)致過腐蝕缺陷的原因是氫氟酸和硝酸的比例失調(diào),氫氟酸濃度過高或者硝酸濃度不足均可導(dǎo)致該缺陷出現(xiàn),另一個原因就是酸洗時間過長,一般酸洗t為1min～4min,可以根據(jù)操作現(xiàn)場調(diào)整工藝參數(shù),適當縮短酸洗時間。

2.掛灰掛灰是指酸洗后鈦合金表面附著的氧化物,酸洗時由于鈦合金和酸液進行化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生的氧化物積累在表面,阻止了反應(yīng)的進一步發(fā)生。掛灰的缺陷一般是由酸洗時掛灰沉積過多和酸洗后沖洗不夠。酸洗時應(yīng)不斷晃動零件,使反應(yīng)后的產(chǎn)物從鈦合金表面脫落,酸洗后應(yīng)加強噴淋或沖洗的辦法去除掛灰。國內(nèi)一般采取壓縮空氣和自來水混合的高速水流沖洗零件,效果良好。

3.氧化皮未除盡導(dǎo)致該缺陷的原因比較多,各個工序均有可能。有可能除油不良,或者熔融鹽處理時間不夠,或者酸洗溶液失效。出現(xiàn)該缺陷時,應(yīng)該逐一排除各種可能因素,在必要的時候,可以在前處理增加噴砂工序。

4.條紋狀花斑導(dǎo)致該缺陷的原因一般是由于反應(yīng)不均勻造成的。可以通過酸洗時晃動零件和降低酸洗液溫度來排除。除了以上幾種缺陷,有時還會發(fā)現(xiàn)酸洗后檢驗合格的產(chǎn)品,經(jīng)過一段時間后,表面出現(xiàn)花斑的現(xiàn)象。對于此種現(xiàn)象,現(xiàn)在研究比較少,可能是由于酸洗后表面有殘留酸液或后續(xù)生產(chǎn)帶入的腐蝕性介質(zhì)存在,在應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的,在微觀檢測下與一般腐蝕形態(tài)有所區(qū)別,一般來說不影響其使用性能,可通過再次酸洗的方法去除,但是受力件要加強二次酸洗后的除氫處理。

二、影響鈦合金機械加工性能的因素

導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量、化學(xué)活性及合金類型和顯微組織是影響鈦合金機械加工性能的主要因素。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小,約為鐵的1/3,機械加工時產(chǎn)生的熱量很難通過工件釋放;同時由于鈦合金比熱小,加工時局部溫度上升快,因此,容易造成刀具溫度很高,使刀尖急劇磨損,使用壽命降低。實驗證明,切削鈦合金的刀具前端溫度比切削鋼的溫度高2～3倍。鈦合金彈性模量低,使已加工表面容易產(chǎn)生回彈,特別是薄壁零件的加工回彈更為嚴重,易引起后刀面與已加工表面產(chǎn)生強烈摩擦,從而磨損刀具和崩刃。鈦合金化學(xué)活性很強,高溫下極易與氧、氫、氮發(fā)生作用,使其硬度增加,塑性下降,在加熱和鍛造過程中形成的富氧層的機械加工困難。鈦合金的合金成分不同,其加工性能也不一樣,在退火狀態(tài)下,α型鈦合金機械加工性能較好;α+β型鈦合金次之;β型鈦合金強度高,淬透性好,但機械加工性能最差。鑒于上述情況,為了進行鈦合金高效率、高精度的機械加工,應(yīng)采取相應(yīng)的措施,避免加工中缺陷的產(chǎn)生。

三、鈦合金各種機械加工的研究

鈦合金機械加工的方法很多,主要包括:車削、銑削、鏜孔、鉆削、磨削、攻絲、鋸削、電火花加工等。

1.鈦合金的車削加工及鏜孔車削鈦合金的主要問題是:切削溫度高;刀具磨損較嚴重;切削回彈大。在合適的機械加工條件下,車削和鏜孔并不是特別困難的工序。對于連續(xù)切削、大批量生產(chǎn)或金屬去除量大的切削,一般都采用硬質(zhì)合金刀具;當進行成型切削、車槽或切斷時,適合用調(diào)整鋼刀具,金屬陶瓷刀具也得到應(yīng)用。同其他機械加工操作一樣,始終采用恒定的強制進刀,可以避免切削中斷。切削過程中不要停止或減速。一般不要進行切削,而應(yīng)進行充分冷卻;冷卻劑可采用5%硝酸鈉水溶液或1/20可溶性油乳狀水溶液。鍛造前,車削原始棒料表面富氧層采用硬質(zhì)合金刀具,其切削深度應(yīng)大于富氧層厚度,切削速度為20～30m/min,進給量為0.1～0.2mm/r。鏜削是精加工,特別是對薄壁鈦合金產(chǎn)品在鏜削加工中,應(yīng)防止燒傷和零件裝夾變形。

2.鈦合金的鉆削加工鉆削鈦合金時容易生成長而薄的卷曲切屑,同時鉆削熱量大,容易使切屑過分堆積或粘附在鉆削刃上,這是造成鉆削鈦合金困難的主要原因。鉆孔要采用短而鋒利的鉆頭和低速強制進給,支撐支架要緊固,并要給以重復(fù)充分冷卻,尤其是深孔鉆削。鉆削過程中鉆頭在孔內(nèi)應(yīng)保持鉆削狀態(tài)而不允許在鉆孔內(nèi)空轉(zhuǎn),并應(yīng)保持低而恒速的鉆削速度[3]。鉆通孔要仔細,當快要鉆通時,為了清理鉆頭和鉆孔,及去除鉆屑,最好退回鉆頭,最終破孔時采用強制進給,這樣可以獲得光滑的孔。

3.鈦合金的攻絲鈦合金的攻絲可能是最困難的機械加工工序。攻絲時,鈦屑排除受限制及嚴重的咬合傾向?qū)?dǎo)致螺紋配合不好,致使絲錐卡住或斷裂。在攻絲完成時,鈦合金傾向于緊縮在絲錐上。因此,應(yīng)盡量避免加工盲孔或過長的通孔,以防止內(nèi)螺紋表面粗糙度變大或斷錐現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時,在攻絲方法上要不斷改進,如可以磨去絲錐后緣,沿齒刃長度在齒頂磨制軸向的排屑溝等。另一方面采用表面經(jīng)過氧化、氧化或鍍鉻處理的絲錐,以降低咬合及磨損。

4.鈦合金的鋸割加工鋸割鈦合金時,要采用低的表面速度和連續(xù)強制進料。實驗證明,齒距為4.2mm～8.5mm的粗齒高速鋼鋸條適用于鋸鈦合金。若用帶鋸鋸鈦合金,其鋸條齒距由工件厚度決定,一般為2.5mm～25.4mm,材料厚度愈厚,齒距愈大。同時必須保持強制進料能力和所需的冷卻劑。

5.鈦合金的電火花加工鈦合金的電火花加工要求工具與工件間有一個操作間隙。間隙范圍最好取在0.005mm～0.4mm,較小的間隙常用于要求表面光滑的精加工,較大間隙則用于要求迅速去除金屬的粗加工。電極材料最好選用銅和鋅。通過上述分析與研究,得出了鈦合金機械加工表面質(zhì)量的故障原因,并對加工過程中的多種方法進行分析,從而為解決鈦合金機械加工表面質(zhì)量問題找出了切實可行的辦法。