技術知識-鈦合金之特性與切削
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  • 鈦合金材料性質

    鈦金屬之分類

    鈦合金具有良好之化學穩定性與抗潛變能力,因此經常使用做為各種生醫植入材料,是很重要之醫學應用材料。鈦金屬可分為純鈦、α合金、α+β合金及β合金四大類。

    純鈦在常溫為HCP(Hexagonal Close-Packed)晶格結構(α相),在885℃左右變態成體心立方BCC(Body-Centered Cubic)結構(β相),此溫度稱為β變態點。在純鈦中添加不同合金元素及不同添加量會改變β變態點位置,造成α+β兩相區的出現。



    合金元素根據它們對相變溫度的影響可分爲三類
    穩定α相、提高相轉變溫度的元素爲α穩定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素,它對提高合金的常溫和高溫強度、降低比重、增加彈性模數有明顯效果。

    穩定β相、降低相變溫度的元素爲β穩定元素,又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等;後者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。

    對相變溫度影響不大的元素爲中性元素,有鋯、錫等。

    α型:有很好的熱強性和熱穩定性,銲接性能好,室溫、超低溫和高溫性能良好,但不能進行熱處理強化。常用於噴氣發動機渦輪盤和葉片的製造。

    β型:室溫的強度較高,冷加工和冷成型加工能力強,未熱處理即具有較高的強度,淬火時效後合金強度得到進一步強化,室溫強度可達1372~1666MPa;但熱穩定性較差,不宜在高溫下使用。

    α+β型:組織穩定,韌性、塑性和高溫變形性能隨著β相穩定元素的增加而提高;有較好的熱壓力加工性,能進行淬火時效使合金強化,熱處理後的強度約比退火狀態提高50% ~100% ;高溫強度高,可在400~500°C的溫度下長期工作,其熱穩定性次於α鈦合金。α+β型鈦合金中Ti-6Al-4V是鈦合金中使用量最大的鈦合金。


  • 鈦合金切削特點
    鈦合金切削加工特點1/2

    鈦合金本身所具有的物理和化學性能給切削加工帶來了困難,具體表現有以下幾點。

    鈦合金的導熱性差,是不良導熱體金屬材料。由於導熱、導溫係數小,所以在加工時所產生的高熱量不能有效擴散,同時刀具的切削刃和切屑的接觸長度短,使熱量大量聚集在切削刃上,溫度急劇上升,導致刀刃的紅硬性下降,刀刃軟化,加快刀具磨損。

    鈦合金的親和力大。鈦合金在加工中黏刀現象嚴重。增大了刀體與工件的摩擦,摩擦導致大量的熱,降低了刀具的使用壽命。
    高的化學活性。在加工中,隨著切屑溫度的升高,容易與空氣中的O、N、CO、CO2、H2O等發生反應,使間隙元素O、N的含量增加,工件的表面氧化變硬,難以加工,增大了刀具單位面積上所承受的切削力,刀尖應力變大,同時使前刀面和後刀面與工件的摩擦加劇,這將導致刀刃迅速磨損或崩刃。

    抗蝕性好。在550℃以下鈦合金表面易形成緻密的氧化膜,故不容易被進一步氧化,對大氣、海水以及一些酸、鹼介質均有較高的抗蝕能力。但在  600℃以上溫度時,表面會形成氧化硬層,對刀具有強烈的磨損作用。 

     

  • 鈦合金切削刀具
    鈦合金切削加工刀具

    刀具材料的選擇對於鈦合金加工有很大影響。加工鈦合金的理想刀具材料必須同時具備較高的熱硬度,良好的韌性、耐磨性,高的導熱係數較低的化學活性,在銑削時,刀具還應具有良好的抗衝擊性

    當今在生產實際中用來加工鈦合金的刀具材料主要有:硬質合金、多晶鑽石燒結體(PCD)、多晶立方氮化硼(PCBN)等。經過生產實際驗證,硬質合金PCD刀具被認為是加工鈦合金比較理想的刀具材料。

     

  • 加工參數之探討
    應用田口方法分析鈦合金切削之表面粗糙度與參數最佳化

    逢甲大學材料與製造工程碩士在職專班機械工程組-廖永富


    摘要

    表面粗糙度是評定加工品質最為重要的因子之一。本文係針對鈦合金(Ti-6Al-4V ELI)之切削加工,設定表面粗糙度為性能指標,運用田口方法之望目品質特性來進行實驗規劃與分析工作。其中,主要之切削參數因子包含主軸轉速、進給速率、及切削深度。藉由直交表實驗規劃,判斷相關因子與水準的重要程度,求得最佳之切削加工參數組合。

    結論

    因子重要度排序為每刃進刀量>切削徑向深度>軸向切削深度>切削速度。

    最佳條件優於原始加工參數條件,材料移除率差異比例高達337.7%,證明最佳條件比原始加工參數條件更有效率移除材料,可縮短加工時間,減少切削成本、延長刀具使用壽命。

    下載PDF

  • 鈦合金加工原則
    鈦合金切削加工主要原則1/2

    切削速度:切削速度是影響刀刃溫度的重要因素。過高的切削速度會導致刀刃過熱、刀刃粘結和擴散磨損嚴重,縮短刀具壽命,同時會導致鈦合金工件表面層開裂或氧化,影響其力學性能,所以應在保證較大的刀具耐用度之前提下,選擇適當的切削速度,以降低成本,保證加工質量。

    進刀深度和走刀量:走刀量對溫度變化的影響不大,所以降低切削速度增大走刀量是合理的切削方式。如果有氧化層和皮下氣孔層的情況,大的切深可以直接切到基體未氧化金屬層,提高刀具的壽命。

    鈦合金切削加工主要原則2/2

    切削刀具:在切削過程中不要停止走刀,否則會引起加工硬化或產生燒結擠裂而損壞刀具。當鑽孔時,縮短鑽頭長度、增加鑽心的厚度和導錐量,鑽頭的耐用度可提高好幾倍。

    夾具的夾緊力:鈦合金的彈性模量小,工件在加工中的夾緊變形和受力變形大,會降低工件的加工精度;工件安裝時夾緊力不宜過大,必要時可增加輔助支承。

    切削液:足夠的切削液,進行潤滑冷卻,能將刀刃上的熱量帶走,並沖走切屑,減少切屑和刀具面的黏結,提高效率、降低成本,延長刀具的壽命。

     

【發票地址】 彰化市彰南路一段117巷1-19號 │ 電話:04-7322546 │ 傳真:04-7368928     

【工廠地址】 彰化市茄苳路二段146巷120號   │ 電話:04-7369397 │ 傳真:04-7368928

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