鈦合金的材料特性與常見應(yīng)用 

鈦合金：材料特性

鈦合金（Titanium alloy）是以鈦為基礎(chǔ)加入其他化學(xué)元素組成的合金。鈦合金可分為α合金、α＋β合金及β合金三大類，其中使用量最大且被廣泛應(yīng)用的是α＋β合金中的Ti-6Al-4V鈦合金。 Ti-6Al-4V鈦合金的組織穩(wěn)定、料質(zhì)輕、密度小、彈性模量小以及高溫變形（machining distortion at high temperature）的性能。此種鈦合金擁有良好的耐腐蝕性及延展性，有良好的熱壓力加工性。


圖1. 鈦金屬合金材料

鈦合金的導(dǎo)熱性差，雖適合作為耐熱材質(zhì)，但散熱效果非常差，加工過程中的切削熱不易擴(kuò)散。另外，鈦合金抗蝕性好，在550℃以下鈦合金表面易形成覆蓋性良好且致密的氧化膜，因此不容易被進(jìn)一步氧化。不過，在600℃以上溫度時(shí)，鈦金屬和氧的親和力高，容易吸收氧，在表面形成硬度高的氧化硬層。

 

鈦合金：常見應(yīng)用

Ti-6Al-4V鈦合金由于熱強(qiáng)度高、低溫性能好，且有良好的抗蝕性，以航天產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用為大宗。 Ti-6Al-4V鈦合金強(qiáng)度高于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可以制造出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零部件。


圖2. 鈦合金制螺栓及引擎零部件

鈦合金在航天、汽車產(chǎn)業(yè)都有廣泛且大量的應(yīng)用，例如在航天產(chǎn)業(yè)中的機(jī)身骨架元件（aircraft fuselage components）、引擎元件（engine components）、渦輪葉盤（turbine fan disks）、航天緊固件（aerospace fasteners）等，以及在汽車產(chǎn)業(yè)中會(huì)用作車身板件（automotive body panels）及閥門（valves）等需要加工大量特征特殊、復(fù)雜的零部件，因此加工精度的重復(fù)性與刀具壽命在機(jī)械加工鈦合金材料中，成為加工業(yè)者至關(guān)重要的議題。


圖3. 鈦合金材料在航天產(chǎn)業(yè)之波音757-200噴射引擎的應(yīng)用

 鈦合金鉆孔加工要點(diǎn)與常用加工刀具 

由于Ti-6Al-4V鈦合金密度小、延展性好（高溫變形性），且有加工硬化（work hardening）等材料特性，在進(jìn)行鈦合金鉆孔等特征的加工時(shí)，通常加工過程中需要有完善、穩(wěn)固的設(shè)置，以克服工件在加工過程中，因高溫而產(chǎn)生材料軟化、變形或表層硬化的狀況。


圖4. 鉆削鈦合金材料須使用銳利且堅(jiān)固的鉆頭

一般來說，須使用銳利且堅(jiān)固的刀具，來因應(yīng)加工時(shí)大量積累熱能而導(dǎo)致刀具磨耗的狀況。另外，由于Ti-6Al-4V鈦合金具備良好的高溫變形性，延展性好，此種材料的工件在加工過程中容易因高溫變形，切屑粘接刀具，導(dǎo)致刀具壽命急速下降而造成工件精度嚴(yán)重偏差。再加上Ti-6Al-4V鈦合金材料的加工硬化特性，若沒有適當(dāng)控制鉆削時(shí)的推力（thrust force）和扭矩（torque），可能導(dǎo)致鉆頭打滑，對(duì)孔洞精度造成嚴(yán)重影響。因此在機(jī)械加工時(shí)，需要確保刀具及工件都已確實(shí)固定，并使用適當(dāng)?shù)睦鋮s機(jī)制，來幫助降低加工時(shí)積累的熱能。

在進(jìn)行鈦合金鉆孔特征的加工時(shí)，尤其在深鉆孔加工，鈦合金專用的鎢鋼鉆頭（carbide drills）會(huì)是良好選擇。使用銳利的鉆頭，并配合適當(dāng)?shù)膸缀谓嵌?/span>，創(chuàng)造良好的鉆削條件能避免鈦合金表面因散不掉的加工熱，而產(chǎn)生表層硬化，這些都會(huì)是成功鉆削鈦合金的關(guān)鍵。

 

 鈦合金鉆孔加工難點(diǎn) 

鈦合金鉆孔加工：工件孔洞質(zhì)量與刀具壽命的挑戰(zhàn)

誠(chéng)如前段描述，在進(jìn)行鈦合金鉆削時(shí)，由于Ti-6Al-4V鈦合金的導(dǎo)熱性差、延展性好（高溫變形性）以及加工硬化等材料特性，都可能對(duì)工件的孔洞質(zhì)量及孔位精度造成嚴(yán)重影響。

在進(jìn)行Ti-6Al-4V鈦合金鉆孔加工時(shí)，由于鈦合金散熱效果差，容易積累大量加工熱，導(dǎo)致金屬表層硬化，鉆削力變大，從而讓加工過程更為困難；然而，切削熱在一定條件下會(huì)使工件表面的冷硬產(chǎn)生回復(fù)現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為軟化，而在更高的溫度下，甚至將引起相變。鈦合金材料軟化后，易產(chǎn)生切屑粘接刀具的現(xiàn)象，增加材料與刀具的摩擦，加速刀具磨耗，使刀具壽命急速下降。


圖5. CNC機(jī)臺(tái)上進(jìn)行金屬鉆削加工須使用適當(dāng)冷卻機(jī)制

另外，鈦合金材料加工硬化的特性，在切屑易粘接刀具的情況下，若沒有控制好鉆削時(shí)的推力和扭矩，容易因刀具打滑，工件孔洞產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)U(kuò)孔，影響孔位精度；切屑大且產(chǎn)生黏刀的現(xiàn)象，使得鉆削時(shí)的扭矩難以控制，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)直接造成斷刀。

 

 漢鼎超聲波輔助加工能為鈦合金鉆孔加工帶來哪些助益呢？ 

漢鼎的超聲波輔助加工技術(shù)提供刀具一個(gè)高頻率，且每秒超過20,000次的縱向微振動(dòng)。類似快速啄鉆、抬刀的機(jī)制應(yīng)用在鉆削上，可幫助刀具掌控定位精度，并有效降低鉆削時(shí)的扭矩；同時(shí)配合中心出水的功能，達(dá)到有效潤(rùn)滑、冷卻，使鉆削過程更容易斷屑，幫助排屑過程更順暢。


圖6. 漢鼎超聲波加工技術(shù)帶來高頻縱向振動(dòng)輔助排屑過程

超聲波提供刀具的高頻縱向振動(dòng)，其高頻率且快速地啄鉆下刀、抬刀，能使刀具穩(wěn)定控制鉆孔時(shí)的孔位精度，大幅降低刀具打滑造成擴(kuò)孔的情況，有效維持工件孔洞質(zhì)量。

另外，超聲波提供的高頻微振動(dòng)可有效降低鉆削時(shí)的推力（thrust force）和扭矩（torque），減少刀具與工件之間的磨擦。另外，鉆削時(shí)若能更容易斷屑，也可降低纏屑的發(fā)生，切屑形狀變小，達(dá)到有效延長(zhǎng)、穩(wěn)定刀具壽命。


圖7. 漢鼎超聲波加工技術(shù)幫助降低鉆削時(shí)的推力與扭矩, 帶來更穩(wěn)定的刀具壽命

這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在微鉆孔以及深鉆孔加工占有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，特別是針對(duì)硬脆性先進(jìn)材料的機(jī)械加工，包括工業(yè)陶瓷（technical ceramic）、石英玻璃（quartz glass）、超合金（super-alloys）等。

超聲波的高頻微振動(dòng)能夠穩(wěn)定控制鉆削的推力和扭矩，使切屑變小。達(dá)到有效提升工件孔洞質(zhì)量以及加強(qiáng)刀具壽命的穩(wěn)定性，超聲波輔助加工技術(shù)提供一個(gè)改善加工過程的解決方案。

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 超聲波輔助鈦合金加工成功案例分享 

鈦合金：微鉆孔加工

圖8. 超聲波輔助加工鈦合金微鉆孔工件

使用超聲波在Ti-6Al-4V鈦合金上進(jìn)行50孔Φ0.5x5mm的微鉆孔加工，有效降低39%鉆削時(shí)的扭矩力。配合中心出水的功能，大幅降低大量積累的加工熱，并排除纏屑的發(fā)生。不僅能幫助延長(zhǎng)刀具壽命，也能有效維持工件孔洞的定位精度。


圖9. 鈦合金微鉆孔切屑形貌之有無超聲波輔助加工比較

這個(gè)加工工藝的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在航天產(chǎn)業(yè)及3C電子產(chǎn)業(yè)，特別用作機(jī)身骨架元件、引擎元件、飛機(jī)鉚釘孔元件、手機(jī)機(jī)殼等。

 

鈦合金：側(cè)銑加工

圖10. 超聲波輔助加工鈦合金側(cè)銑工件

漢鼎在Ti-6Al-4V鈦合金上進(jìn)行側(cè)銑加工。使用漢鼎的BT30超聲波刀柄，并整合中心出水、自動(dòng)換刀及CNC自動(dòng)化系統(tǒng)。加工過程設(shè)定工件表面粗糙度上限，加工結(jié)果顯示，在接近相同的表面粗糙度時(shí)，使用超聲波輔助加工的刀具累積加工時(shí)間和距離都較無超聲波來得長(zhǎng)久。

漢鼎超聲波輔助加工更容易分開切屑，大幅改善刀具壽命，刀具的前刀面磨耗僅出現(xiàn)小缺角，相較無超聲波加工的情況，刀具前刀面產(chǎn)生刀刃崩角，磨耗嚴(yán)重，且涂層顆粒已露出。


圖11. 鈦合金側(cè)銑加工切屑形貌之有無超聲波輔助加工比較



圖12. 鈦合金側(cè)銑加工刀具前刀面磨耗狀況之有無超聲波輔助加工比較

這個(gè)加工工藝的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在航天產(chǎn)業(yè)（用作機(jī)翼懸掛架、襟翼導(dǎo)軌等）、3C電子產(chǎn)業(yè)（用作智能手機(jī)機(jī)殼、智能手表表殼等），以及電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)（用作汽車底盤）。

 

 鈦合金鉆孔加工常見問題 

Q1  在維持鈦合金工件孔洞質(zhì)量的條件下，如何控制鉆削時(shí)的推力和扭矩呢？

A1  漢鼎超聲波輔助加工技術(shù)提供刀具一個(gè)高頻率，且每秒超過20,000次的縱向微振動(dòng)。類似快速啄鉆、抬刀的機(jī)制可有效降低鉆削時(shí)的推力和扭矩，減少刀具磨耗；另外，漢鼎標(biāo)準(zhǔn)配置的高壓中心出水能更容易斷屑，并達(dá)到有效潤(rùn)滑、冷卻，幫助排屑過程更順暢，在維持工件孔洞質(zhì)量的條件下，延長(zhǎng)刀具壽命。


圖13. 漢鼎超聲波加工驅(qū)動(dòng)模組

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Q2  欲使用漢鼎超聲波加工模組系統(tǒng)進(jìn)行鈦合金鉆孔加工時(shí)，如何適當(dāng)調(diào)整進(jìn)給率及超聲波振幅等加工工藝參數(shù)呢？

A2  漢鼎擁有堅(jiān)強(qiáng)的研發(fā)與技術(shù)團(tuán)隊(duì)，期望提供客戶所需服務(wù)，并幫助客戶克服鈦合金鉆削的加工難點(diǎn)。針對(duì)技術(shù)服務(wù)，其中包括提供優(yōu)化后的加工工藝參數(shù)及其他相關(guān)服務(wù)，來確?？蛻舳嗽谑褂脻h鼎超聲波輔助加工產(chǎn)品時(shí)，能獲得最佳的使用體驗(yàn)。讓客戶了解到，這不僅是購(gòu)買一項(xiàng)產(chǎn)品，更重要的是團(tuán)隊(duì)合作間知識(shí)與技術(shù)的交流。


圖14. 漢鼎超聲波加工刀柄



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