后疫情时代航天产业扶摇直上，掀起钛合金钻孔加工热潮

2022年10月14日

钛合金的材料特性与常见应用

钛合金：材料特性

钛合金（Titanium alloy）是以钛为基础加入其他化学元素组成的合金。钛合金可分为α合金、α＋β合金及β合金三大类，其中使用量最大且被广泛应用的是α＋β合金中的Ti-6Al-4V钛合金。 Ti-6Al-4V钛合金的组织稳定、料质轻、密度小、弹性模量小以及高温变形（machining distortion at high temperature）的性能。此种钛合金拥有绝佳的耐腐蚀性及延展性，有良好的热压力加工性。

图1. 钛金属合金材料

钛合金的导热性差，虽适合作为耐热材质，但散热效果非常差，加工过程中的切削热不易扩散。另外，钛合金抗蚀性好，在550℃以下钛合金表面易形成覆盖性良好且致密的氧化膜，因此不容易被进一步氧化。不过，在600℃以上温度时，钛金属和氧的亲和力极高，容易吸收氧，在表面形成硬度极高的氧化硬层。

钛合金：常见应用

Ti-6Al-4V钛合金由于热强度高、低温性能好，且有良好的抗蚀性，以航天产业的应用为大宗。 Ti-6Al-4V钛合金强度高于其他金属结构材料，可以制造出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。

图2. 钛合金制螺栓及引擎零部件

钛合金在航天、汽车产业都有广泛且大量的应用，例如在航天产业中的机身骨架元件（aircraft fuselage components）、引擎元件（engine components）、涡轮叶盘（turbine fan disks）、航天紧固件（aerospace fasteners）等，以及在汽车产业中会用作车身板件（automotive body panels）及阀门（valves）等需要加工大量特征特殊、复杂的零部件，因此加工精度的重复性与刀具寿命在机械加工钛合金材料中，成为加工业者至关重要的议题。

图3. 钛合金材料在航天产业之波音757-200喷射引擎的应用

钛合金钻孔加工要点与常用加工刀具

由于Ti-6Al-4V钛合金密度小、延展性好（高温变形性），且有加工硬化（work hardening）等材料特性，在进行钛合金钻孔等特征的加工时，通常加工过程中需要有完善、稳固的设置，以克服工件在加工过程中，因高温而产生材料软化、变形或表层硬化的状况。

图4. 钻削钛合金材料须使用锐利且坚固的钻头

一般来说，须使用锐利且坚固的刀具，来因应加工时大量积累热能而导致刀具磨耗的状况。另外，由于Ti-6Al-4V钛合金具备良好的高温变形性，延展性好，此种材料的工件在加工过程中容易因高温变形，切屑粘接刀具，导致刀具寿命急速下降而造成工件精度严重偏差。再加上Ti-6Al-4V钛合金材料的加工硬化特性，若没有适当控制钻削时的推力（thrust force）和扭矩（torque），可能导致钻头打滑，对孔洞精度造成严重影响。因此在机械加工时，需要确保刀具及工件都已确实固定，并使用适当的冷却机制，来帮助降低加工时积累的热能。

在进行钛合金钻孔特征的加工时，尤其在深钻孔加工，钛合金专用的钨钢钻头（carbide drills）会是最佳选择。使用锐利的钻头，并配合适当的几何角度，创造良好的钻削条件能避免钛合金表面因散不掉的加工热，而产生表层硬化，这些都会是成功钻削钛合金的关键。

钛合金钻孔加工难点

钛合金钻孔加工：工件孔洞质量与刀具寿命的挑战

诚如前段描述，在进行钛合金钻削时，由于Ti-6Al-4V钛合金的导热性差、延展性好（高温变形性）以及加工硬化等材料特性，都可能对工件的孔洞质量及孔位精度造成严重影响。

在进行Ti-6Al-4V钛合金钻孔加工时，由于钛合金散热效果差，容易积累大量加工热，导致金属表层硬化，钻削力变大，从而让加工过程更为困难；然而，切削热在一定条件下会使工件表面的冷硬产生回复现象，这一现象称为软化，而在更高的温度下，甚至将引起相变。钛合金材料软化后，易产生切屑粘接刀具的现象，增加材料与刀具的摩擦，加速刀具磨耗，使刀具寿命急速下降。

图5. CNC机台上进行金属钻削加工须使用适当冷却机制

另外，钛合金材料加工硬化的特性，在切屑易粘接刀具的情况下，若没有控制好钻削时的推力和扭矩，容易因刀具打滑，工件孔洞产生严重扩孔，影响孔位精度；切屑大且产生黏刀的现象，使得钻削时的扭矩难以控制，严重时更会直接造成断刀。

汉鼎超声波辅助加工能为钛合金钻孔加工带来哪些助益呢？

汉鼎的超声波辅助加工技术提供刀具一个高频率，且每秒超过20,000次的纵向微振动。类似快速啄钻、抬刀的机制应用在钻削上，可帮助刀具掌控定位精度，并有效降低钻削时的扭矩；同时配合中心出水的功能，达到有效润滑、冷却，使钻削过程更容易断屑，帮助排屑过程更顺畅。

图6. 汉鼎超声波加工技术带来高频纵向振动辅助排屑过程

超声波提供刀具的高频纵向振动，其高频率且快速地啄钻下刀、抬刀，能使刀具稳定控制钻孔时的孔位精度，大幅降低刀具打滑造成扩孔的情况，有效维持工件孔洞质量。

另外，超声波提供的高频微振动可有效降低钻削时的推力（thrust force）和扭矩（torque），减少刀具与工件之间的磨擦。另外，钻削时若能更容易断屑，也可降低缠屑的发生，切屑形状变小，达到有效延长、稳定刀具寿命。

图7. 汉鼎超声波加工技术帮助降低钻削时的推力与扭矩, 带来更稳定的刀具寿命

这项技术应用在微钻孔以及深钻孔加工占有强大的优势，特别是针对硬脆性先进材料的机械加工，包括工业陶瓷（technical ceramic）、石英玻璃（quartz glass）、超合金（super-alloys）等。

超声波的高频微振动能够稳定控制钻削的推力和扭矩，使切屑变小。达到有效提升工件孔洞质量以及加强刀具寿命的稳定性，超声波辅助加工技术提供一个改善加工过程的解决方案。

了解更多汉鼎超声波加工技术

超声波辅助钛合金加工成功案例分享

钛合金：微钻孔加工

图8. 超声波辅助加工钛合金微钻孔工件

使用超声波在Ti-6Al-4V钛合金上进行50孔Φ0.5x5mm的微钻孔加工，有效降低39%钻削时的扭矩力。配合中心出水的功能，大幅降低大量积累的加工热，并排除缠屑的发生。不仅能帮助延长刀具寿命，也能有效维持工件孔洞的定位精度。

图9. 钛合金微钻孔切屑形貌之有无超声波辅助加工比较

这个加工工艺的产品被广泛应用在航天产业及3C电子产业，特别用作机身骨架元件、引擎元件、飞机铆钉孔元件、手机机壳等。

钛合金：侧铣加工

图10. 超声波辅助加工钛合金侧铣工件

汉鼎在Ti-6Al-4V钛合金上进行侧铣加工。使用汉鼎的BT30超声波刀柄，并整合中心出水、自动换刀及CNC自动化系统。加工过程设定工件表面粗糙度上限，加工结果显示，在接近相同的表面粗糙度时，使用超声波辅助加工的刀具累积加工时间和距离都较无超声波来得长久。

汉鼎超声波辅助加工更容易分开切屑，大幅改善刀具寿命，刀具的前刀面磨耗仅出现小缺角，相较无超声波加工的情况，刀具前刀面产生刀刃崩角，磨耗严重，且涂层颗粒已露出。

图11. 钛合金侧铣加工切屑形貌之有无超声波辅助加工比较

图12. 钛合金侧铣加工刀具前刀面磨耗状况之有无超声波辅助加工比较

这个加工工艺的产品被广泛应用在航天产业（用作机翼悬挂架、襟翼导轨等）、3C电子产业（用作智能手机机壳、智能手表表壳等），以及电动汽车產業（用作汽车底盘）。

钛合金钻孔加工常见问题

Q1 在维持钛合金工件孔洞质量的条件下，如何控制钻削时的推力和扭矩呢？

A1 汉鼎超声波辅助加工技术提供刀具一个高频率，且每秒超过20,000次的纵向微振动。类似快速啄钻、抬刀的机制可有效降低钻削时的推力和扭矩，减少刀具磨耗；另外，汉鼎标准配置的高压中心出水能更容易断屑，并达到有效润滑、冷却，帮助排屑过程更顺畅，在维持工件孔洞质量的条件下，延长刀具寿命。

图13. 汉鼎超声波加工驱动模组

了解更多汉鼎超声波加工模组

Q2 欲使用汉鼎超声波加工模组系统进行钛合金钻孔加工时，如何适当调整进给率及超声波振幅等加工工艺参数呢？

A2 汉鼎拥有坚强的研发与技术团队，期望提供客户所需服务，并帮助客户克服钛合金钻削的加工难点。针对技术服务，其中包括提供优化后的加工工艺参数及其他相关服务，来确保客户端在使用汉鼎超声波辅助加工产品时，能获得最佳的使用体验。让客户了解到，这不仅是购买一项产品，更重要的是团队合作间知识与技术的交流。

图14. 汉鼎超声波加工刀柄

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参考资料
1. AZO Materials – Titanium Alloys – Physical Properties
2. RMI Titanium Co. LLC – Titanium Alloy Guide
3. Total Materia – Titanium Properties
4. 钛合金材料的钻孔技术分析
5. CNC机加工丨钛合金材料加工难点在哪如何解决_