1 鈦合金的切削加工性

鈦合金是典型的難加工材料，其加工特性表現(xiàn)如下：

（1）鈦合金的導(dǎo)熱性差，是不良導(dǎo)熱體金屬材料。切削加工時，切屑與前刀面的接觸面積很小，特別容易引起薄壁件的熱變形。

（2）鈦合金彈性模量低，彈性變形大。切削時接近后刀面處工件的回彈量大，導(dǎo)致已加工表面與后刀面的接觸面積特別大，造成加工件幾何形狀和精度差、表面粗糙度增大、刀具磨損增加。

（3）鈦合金的親和性大、切削溫度高。切削時，鈦屑及被切表層與刀具材料咬合，產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，容易引起刀具強(qiáng)烈的粘結(jié)磨損。鈦合金的高溫化學(xué)活性強(qiáng)，在600℃以上時，與氧、氮產(chǎn)生間隙固溶。吸收氣體后鈦合金表面的硬度明顯上升，對刀具有強(qiáng)烈的磨損作用。

目前，我國的鈦合金切削加工效率還比較低，生產(chǎn)中應(yīng)用最多的硬質(zhì)合金刀具推薦的切削速度在30~50m/min，與國外相比還存在很大差距。

2 目前的鈦合金切削加工工藝

現(xiàn)有的鈦合金切削加工方式主要是車削和銑削。鈦合金車削加工時易獲得較好的表面粗糙度，加工硬化不嚴(yán)重，但切削溫度高，刀具磨損快。鈦合金的銑削加工比車削加工困難。因為銑削是斷續(xù)切削，并且切屑易與刀刃發(fā)生粘結(jié)，當(dāng)粘屑的刀齒再次切入工件時，粘屑被碰掉并帶走一小塊刀具材料，形成崩刃，極大地降低了刀具的耐用度。

在加工鈦合金時，通常選擇較小的前角，以增大切屑與前刀面的長度；選擇較大的后角，以減小后刀面與加工表面之間的摩擦。為了降低切削溫度，通常選用較小的切削速度和較大的切深，并使用切削液。切削速度過小導(dǎo)致材料去除率低下，增加了鈦合金加工成本；較大的切深導(dǎo)致切削力增大，影響鈦合金工件尤其是薄壁件的質(zhì)量；切削液的使用增加了加工成本，造成環(huán)境污染，不符合綠色切削的要求。

目前，我國的鈦合金加工缺乏有效的工藝數(shù)據(jù)庫支持。在具體工藝安排和切削用量選擇上，往往憑經(jīng)驗和“試切”來確定工藝參數(shù)。此外，我國刀具和切削液的國產(chǎn)化程度還比較低，制約了鈦合金切削加工水平的提高。

鈦合金切削加工的發(fā)展趨勢

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，鈦合金將逐步取代鋁合金，成為航空工業(yè)的主要材料。未來的鈦合金切削加工將主要面向3 個方向：

（1）大幅提高單位時間內(nèi)的材料去除量，實現(xiàn)高效加工；
（2）研發(fā)新型刀具，延長刀具使用壽命；
（3）減少切削液的使用，達(dá)到綠色切削。

1 鈦合金高速切削

高速切削能大幅提高鈦合金加工效率，并保證零件加工質(zhì)量。鈦合金的高速槽銑和周銑實踐證明，高速切削不僅能提高加工效率，還能有效提高被加工表面的質(zhì)量。
鈦合金高速切削具有以下優(yōu)勢：

（1）溫升少，工件熱變形小。高速切削雖然產(chǎn)熱量多，但由于切屑從工件上切離的速度快，90% 以上的切削熱被切屑帶走，傳給工件的熱量很小，工件積累熱量極少，這對于減少鈦合金熱變形有重要意義。

（2）切削力低。切削速度高使得剪切變形區(qū)變窄，剪切角增大，變形系數(shù)減小和切屑流出速度快，從而使切削變形減小，切削力比常規(guī)切削力低30%~90%, 特別適合于加工剛性差的航空用鈦合金薄壁件。

（3）材料切除率高，加工表面質(zhì)量好。高速切削時其進(jìn)給速度可隨切削速度的提高相應(yīng)提高5~10 倍，這樣單位時間內(nèi)材料的切除量可提高3~5 倍。另外隨著切削速度的提高，切屑可以被很快切離工件，故殘留在工件表面上的應(yīng)力很小。由于切削點(diǎn)溫度的升高工件表面鱗刺的高度會顯著降低甚至完全消失。

鈦合金高速切削也面臨著很多技術(shù)難題。高速導(dǎo)致加工表面溫度急劇升高，由于鈦合金導(dǎo)熱性差，如不采取有效的降溫措施，會使得鈦合金和空氣中元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硬化層。高溫?zé)g和切削力的增大造成刀具急劇磨損，使得加工不能持續(xù)。

2 鈦合金切削加工的高性能刀具

大量的研究結(jié)果表明：刀具的快速磨損是制約鈦合金高速切削加工的最主要因素。因而，要想提高鈦合金加工和應(yīng)用水平，必須研發(fā)適用于鈦合金的高性能刀具。刀具材料方面，應(yīng)具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學(xué)性能和高的可靠性。

硬質(zhì)合金刀具的價格相對低廉，是目前使用最多的鈦合金切削刀具，常用刀具有YG6、YG8 等。但是在以往的研究和生產(chǎn)實踐中，通常不采用YT 類刀具，因為含鈦的刀具材料在高溫下很容易與鈦合金親合，使得粘結(jié)磨損嚴(yán)重。但是對刀具磨損的研究表明，鈦合金在低速銑削時的刀具磨損機(jī)理為粘結(jié)撕裂磨損，在高速銑削時以擴(kuò)散磨損為主。而含鈦類刀具可有效抑制擴(kuò)散磨損。因此，低速段使用的YG 類硬質(zhì)合金刀具不適合鈦合金高速切削，而YT 類刀具將是新的研究方向。

PCD 刀具的性能很適宜于加工鈦合金：（1）良好的導(dǎo)熱性。金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5~9倍。由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率高，切削熱容易從刀具散出，故切削區(qū)溫度低，這對于克服鈦合金導(dǎo)熱性差的問題有重要意義。（2）較低的熱膨脹系數(shù)。金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍約為高速鋼的1/10，在高溫下，能夠更好地保證鈦合金工件的加工質(zhì)量。（3）極高的硬度和耐磨性。金剛石刀具在加工高硬度材料時耐用度為硬質(zhì)合金刀具10~100 倍甚至高達(dá)幾百倍。使用金剛石刀具切削鈦合金，能夠有效延長刀具使用壽命。Mori 等采用新型PCD 刀具在高速切削鈦合金時獲得了較好的切削效果。但是Balkrishna Rao 等的研究結(jié)果表明，金剛石刀具的磨損形式表現(xiàn)為剝落和溝槽磨損，不能實現(xiàn)高速切削。

在刀具結(jié)構(gòu)方面， Komanduri 與Reed設(shè)計了一種可提高刀具壽命的新型刀夾，該刀夾可獲得較大的刀具后角和負(fù)前角；Shuting Le 等研究了可轉(zhuǎn)位刀具在高速車削Ti6Al4V鈦合金過程中的應(yīng)用狀況，在高速切削狀態(tài)下，可轉(zhuǎn)位刀具的壽命比固定位刀具的壽命增長了37 倍。

3 鈦合金綠色切削

傳統(tǒng)的鈦合金切削使用大量的冷卻液，增加了制造成本，造成了環(huán)境污染，還會損害工人的身體健康。綠色切削可有效解決由切削液引起的各類問題。目前國內(nèi)外對綠色加工的研究主要有綠色切削技術(shù)和綠色冷卻技術(shù)。

綠色切削技術(shù)包括：干式切削、準(zhǔn)干式切削、低溫切削和綠色濕式切削。

干式切削可完全消除使用切削液導(dǎo)致的一系列負(fù)面影響，由于摩擦使工件和刀具的溫度升高，導(dǎo)致刀具磨損加快，工件產(chǎn)生殘留應(yīng)力，同時會使得刀具和工件發(fā)生熱變形，表面質(zhì)量降低，因而不適用于航空航天用鈦合金的加工。準(zhǔn)干式切削又稱MQL（Minimal Quantity Lubrication）極微量潤滑技術(shù)，它是將極微量的切削油與具有一定壓力的壓縮空氣混合并霧化后，噴射到加工區(qū)，對刀具和工件之間的加工部位進(jìn)行有效的潤滑。MQL 可以大大減少“刀具-工件”和“刀具- 切屑”之間的摩擦，起到抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高工件加工質(zhì)量的作用。使用的潤滑液很少，而效果卻十分顯著，既提高了工效，又不會對環(huán)境造成污染，是鈦合金切削加工的有效途徑。低溫切削能夠提高工件的切削加工性、刀具壽命和工件表面質(zhì)量，非常適用于鈦合金加工。林肯大學(xué)的Z.Y.Wang的研究結(jié)果表明，在超低溫加工狀態(tài)下，刀具材料能夠保持良好的切削性能，提高了刀具壽命，保證了切削效率和加工質(zhì)量。

綠色冷卻技術(shù)是實現(xiàn)綠色加工的關(guān)鍵，主要包括：液氮冷卻、蒸汽冷卻、低溫氣體射流冷卻以及噴霧射流冷卻等。

液氮冷卻采用液氮使工件、刀具或切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進(jìn)行切削加工，是目前主要的低溫加工手段。低溫氣體射流冷卻是采用-10~-100℃的冷風(fēng)強(qiáng)烈沖刷加工區(qū)的一種冷卻方式。試驗證明，該方式可以顯著均勻地降低加工區(qū)、刀具及工件的溫度，有效地抑制刀具磨損，提高刀具耐用度，改善已加工表面的加工質(zhì)量和提高零件加工精度。由于液氮冷卻切屑收集困難，純氣體冷卻時刀具沒有得到潤滑等問題，制約了此種冷卻方式的推廣。有學(xué)者在此種方法基礎(chǔ)上提出了鈦合金低溫噴霧射流冷卻加工。低溫噴霧射流冷卻加工兼?zhèn)淞说蜏亍⑸淞鳑_擊、充分汽化和使用最綠色的空氣等幾個要素。

結(jié)束語

為了滿足航空航天對于鈦合金工件日益增長的需求，我國的鈦合金切削加工必須有長足的進(jìn)步。在基于國內(nèi)的材料、機(jī)床和管理等條件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)鈦合金材料加工工藝路線的優(yōu)化、加工參數(shù)的優(yōu)選，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，是推動國內(nèi)鈦合金產(chǎn)業(yè)和航空航天工業(yè)的發(fā)展的重要因素。