钛合金材料重量轻，密度是4.4 kg八3，比强度高，是航空航天等领域的重要金属材料。但其加工性能较差，特别是钻孔和攻丝的效率很低，在很大程度上制约着产品中钛合金零件的加工质量和生产效率。这里分析了钛合金材料及其切削特性在钻孔和攻丝中表现出来的具体特点，特别对刀具材料、刀具结构和刀具几何参数等进行了反复研究和试验，并采取了相应措施，较好地解决了钛合金钻削和攻丝加工过程中存在的难题。

1钛合金性能特点和加工特性分析

1. 1钛合金性能特点

钛合金即在工业纯钛中加入合金元素，以提高钛的强度。钛合金可分为三种:峡太合金，隘合金和二+隘合金。c1+隘合金，如TC4(Ti一6A1一4V)，此种钛合金由咖卿相组成，这类合金组织稳定，高温变形性能、韧性、塑性较好，能进行淬火和时效处理使合金强化，是航空业重要的原材料。钛合金的性能特点，主要表现在:

a)比强度高。钛合金密度小(4.4 kg/m3)，重量轻，其比强度却大于超高强度钢。

b)热强性高。钛合金热稳定性好，在300℃一500℃条件下，其强度约比铝合金高10倍。

c]化学活性大。钛的化学活性大，与空气中的0, N, CO,水蒸气等产生强烈的化学反应，在钛合金表面易形成TiC及TiN硬化层。

d)导热性差。钛合金导热性差，钛合金TC4在20℃时的热导率X=16.8 W/m?℃，导热系数是0.036 cal/(cm?:?℃)。

1. 2钛合金加工特性分析

由于钛合金导热系数低，仅是钢的114,铝的1113,铜的1125,因而散热慢，不利于热平衡，特别是在钻孔和攻丝加工过程中，散热和冷却效果很差，在切削区形成高温，加工后回弹大，造成钻头和丝锥扭矩增大，刃口磨损快，耐用度降低。同时，由于钛合金变形系数小于或接近于1，这是钛合金加工时的一个显著特点。因此，切屑在前刀面上滑动摩擦的路程加大，加速刀具磨损。此外，钛合金化学活性高，在高温高压下加工，与刀具材料起反应，形成溶敷，扩散而成合金，造成粘刀具，切屑不易排除，往往产生钻头被咬住、扭断钻头等现象。

2钛合金的钻削加工

通过对钛合金加工特性的分析，了解了影响钛合金钻削加工的因素，即在加工过程中及易出现烧刀、断钻、刀具磨损快等间题。因此，着重对钻头材料、钻头几何参数、钻削用量以及冷却液等进行了研究，并较好地解决了这一间题。

2.1钻头材料

钻头材料应满足以下要求:

a)足够的硬度。钻头和丝锥的硬度必须大于钛合金的硬度。

b)足够的强度和韧性。由于钻头和丝锥在加工钛合金时承受很大的扭转力和切削力。因此，必须有足够的强度和韧性。

C)足够的耐磨性。由于钛合金韧性好，加工时切削刃要锋利，因此刀具材料必须有足够的抵抗磨损能力，这样才能减少加工硬化。

d)刀具材料与钛合金亲合能力要差。由于钛合金化学活性高，因此要求刀具材料和钛合金亲合能力要差，以免形成溶敷，扩散而成合金，造成粘刀、断钻等现象。

综上所述，经过对常用的刃具材料W18C二4V,硬质合金(YG8)、W6Mo5C二4V3Al, W12C二4V4Mo和W2Mo9C二4VCo8等制造的钻头和丝锥进行试验分析，结果表明由材料W2Mo9Cr4VCo8制造的钻头和丝锥加工钛合金时刃口锋利、磨损小，效率有了显著的提高，是比较理想的刃具材料。

W2Mo9Cr4VCo8属于高速钢的一种，用该材料制造的钻头和丝锥之所以适合加工钛合金，与该材料的化学成分有关(材料化学成分见表幼。该材料含有7. 5%-8. 5%的金属元素钻。钻的主要作用是能加强二次硬化的效果，提高红硬性和热处理后的硬度，同时，具有良好的散热性。因此，含钻高速钢具有高的切削加工件能。

2. 2改变钻头几何参数

钛合金的加工特性决定标准麻花钻头钻削加工钛合金时存在许多间题，主要表现:

a)钻头顶角2T小，切削刃长，切下的切屑宽，因而钻头扭矩大，轴向抗力也大。同时，切屑卷曲成螺旋状程度大，切屑所占的空间也大，排屑不顺畅，影响冷却。

b)钻头钻心厚度剑，由于钻削加工钛合金时钻头承受很大扭矩和轴向抗力。钻心厚度小，则钻头强度低，钻头易折断。钻头螺旋角叼、C)螺旋角直接影响主切削刃的前角。螺旋角大，则刃口锋利，切削轻快，否则会造成加工硬化。

d)钻头外缘处后角of小，影响钻心处切削刃的前角。

2. 2. 1增大钻头顶角2T

a)钻头顶角决定切屑宽度和钻头前角的大小。当钻头直径和进给量一定时，增大顶角2甲，则切削宽度变窄，单位切削刃上的负荷减轻。同时，钻头外圆处的刀尖角减小，减小了刀尖角的磨损速度，同时有利于散热，耐用度也得到提高。

b)顶角对前角有很大影响。当顶角等于900时，主截面为轴向截面，其前角就是某点所处的螺旋角。因此，增大顶角2T有利于改善钻心处的切削条件。顶角影响切屑流出的方向。顶角大，切屑卷曲成螺旋的程度减小，且比较平直，容易排除，即提高了排屑性能。

通过分析试验，在加工钛合金时，采取增大钻头顶角2T，2T范围是1350一1400，结果表明钻削效果良好。

2. 2. 2选择合适的钻头螺旋角

a)钻头螺旋角障接影响主切削刃前角的增加和减小。确增加，前角也增加，切削轻快，易于排屑，扭矩和轴向力也小。式中，D为钻头直径:P为螺旋槽导程。

b)由上式看出，切削刃上各点确是变化的。靠近外圆处确最大，前角也最大，切削刃锋利，切削性能好。而靠近钻心处确最小，切削性能较差，将通过此处磨成圆弧状，以改善切削条件。

随确增加，切削刃强度减弱，磨损快，甚至会发生切削刃烧毁等现象。因此合理选择确，以适合钛合金钻削加工。

通过分析试验，增大后钻头的螺旋角

2. 2. 3增大钻心厚度

由于在钻削加工钛合金时钻头承受很大扭矩和径向抗力，特别是小直径钻头，容易折断，因此增大钻心厚度，以提高钻头强度。钻心厚度一般为:式中，D为钻头直径。

2. 2.4增大钻头外缘处后角

钻头切削刃各点上的后角是不等的，愈接近中心，其后角愈大，因此，钻头后角的标注和要求，都以钻头外缘处为准。

由于切削表面为螺旋面，切削刃上任一点的切削速度的方向为螺旋线，由展开图5可以看出，实际后角A小了一个确。其大小由下式计算:Sgo二fhrD式中，f为钻头走刀量:D为钻头在该点的直径。

由上式看出，走刀量增加，切削刃上的点愈接近中心，甲角愈大，钻头实际后角愈小。这就要求有不等的后角v，由此向钻心逐渐增加。为了适合钛合金加工，总结出的后角of见表3,增大钻头外缘处后角可以使横刃锋利改善切削性能。特别是对钻心处的钻削加工有明显改善2. 2. 5钻头加工成倒锥x钻头加工成倒锥减小棱带同孔壁摩擦，使钻头切削时扭矩减小.倒锥角度见表4,经过分析试验按照上述几何参数加工的钻头钻削加工钛合金时效果良好，效率可提高40$左右2. 3钻削用量钛合金的性能特点要求钻削加工钛合金时转谏要低，进给量要适中。表5是钻削加工钛合金的钻削用a效果:我单位在钛合金上钻削(4. 2，(D5，(D8，012，(D23孔，一次钻出效率比标准麻花钻头有显著提高。例如:钻孔直径(4. 2,深18。，钻一个孔约需4二约钻25飞。个孔，刃磨一次;钻孔直径CD5,深18。，钻一个孔约需4二约钻25飞。个孔，刃磨一次;钻孔直径(D8,深20。，钻一个孔约需8二约钻1822个孔，刃磨一次;钻孔直径中12,深20。，钻一个孔约需抖二约钻15饱。个孔，刃磨一次:钻孔直径(D23,深24。，钻一个孔约需24二约钻1015个孔，刃磨一次。

2.4 fi3}rR

钻削和攻丝加工钛合金时最好不用含氢的冷却液，避免产生有毒物质和引起氢脆。钻削浅孔时，可用电解切削液，其成分是:葵二酸Y%}10%,三乙醇胺Y%}10%,甘油Y%}10%,硼酸Y%}10%,亚硝酸钠3%}5%%，剩余为水。

钻削深孔时，用N32机械油加煤油，西己比是3:1. 5,也可用硫化切削液。

3钛合金的攻丝加工

钛合金攻丝加工，特别是小孔攻丝加工是很困难的。其主要原因是由于钛合金导热系数低，在攻丝加工过程中，切削区形成高温，造成钛合金热膨胀，另外，钛合金加工后回弹大，孔壁挤压丝锥，甚至将牙型面包住，丝锥不能转动，否则将丝锥折断。

经过大量分析试验，最后主要通过改进丝锥结构形式和选择适合钛合金刀具材料解决了这一难题。

3. 1丝锥材料

丝锥材料同钻头材料。

3. 2丝锥结构形式

标准丝锥一次切削成形，切削量大，扭矩也大，孔壁热膨胀和回弹后，丝锥转动困难。为了解决这一间题，改进了丝锥的结构形式，将标准丝锥的一次切削加工，分为工、II, II工三锥切削，同时，将丝锥加工成跳齿型，很好地解决了断屑间题，切削轻快，效果非常好，效率大大提高，冷却效果也得到了改善。

M5跳齿丝锥的结构形式，见图6,跳齿丝锥的几何参数，见表6,丝锥的技术条件:a)切削部分的硬度HRC62一64,其余HRC32一42; b)刀齿宽度的2儿沿螺纹齿形铲螺纹底孔设计根据钛合金的特性加工螺纹底孔时孔径公差可放大一些。螺纹公差带位置和精度等级确定后，在成歇满足内螺纹小径D1公差等级的清况下，适当加大螺纹底孔直径，冷却后螺纹底孔的收缩量，能够抵消这一部分的加大量，加工后的螺纹满足设计精度要求。由于不同牌号的钛合金、不同的锻造热处理方法、不同的结构形式等厦因，螺纹底子L加大的量也不同，根据具体.嗜况进行试加工来确定。

3.4冷却液

钛合金玫丝时使用的冷却液与钻削加工时使用的冷却液相同。

4结束语

通过对钛合金的特性分析，重点解决了钛合金钻削和攻丝加工过程中存在的难题，并取得良好效果，得出如下结论:

[1)W2Mo9C二4Vo8材料的钻头和丝锥适合钛合金加工;[2)改进钻头几何参数，可使钛合金零件的加工效率有显著的提高;[3)改进丝锥结构形式，可使钛合金零件的加工效果得到明显的改善;[4)配制适合钛合金加工的冷却液，可延长切削刀具的寿命。