鈦合金材料的高速切削加工特點與現(xiàn)狀

1、高速切削加工的定義

切削加工是機械制造領域最常見也是應用最廣泛的加工技術，目前機械行業(yè)90%甚至更多的加工工作都由切削加工來完成 。高速切削加工技術是一種高效率的新技術，它使用比常規(guī)切削要高得多的切削速度進行切削加工，高速切削加工技術不僅可以加工鑄鐵、鋼、有色金屬、高強度復合材料等，還能夠用來加工許多難加工材料，如高溫合金、鈦合金等。近年來，高速切削技術作為當今世界機械制造業(yè)中一項迅速發(fā)展的高新技術，被越來越多的工程技術人員認可 。

高速切削起源于 20 世紀 20 年代后期。當時，德國的薩洛蒙（Carl Salomon）博士對高速切削做了一系列的模擬實驗，并于1931年發(fā)表了著名的高速切削理論，即高速切削假設理論。薩洛蒙博士指出：在傳統(tǒng)的切削速度范圍內(nèi)進行切削，切削溫度會升高。對于每種材料，有一個速度范圍，在此范圍內(nèi)切削時切削溫度特別高，以至于任何刀具都不能進行切削，這個區(qū)域不能夠進行切削，被稱為“死區(qū)”。但是，當切削速度繼續(xù)升高到一定程度，不僅切削溫度不會隨著速度的增加而升高，反而會出現(xiàn)下降的趨勢，同時切削力也會降低。圖 1.1 所示即為著名的薩洛蒙曲線。

目前，各國對高速切削加工的定義還沒有達成統(tǒng)一，對高速切削速度范圍的界定也沒有作出統(tǒng)一的規(guī)定。通常把切削速度和進給速度比常規(guī)高出 5~10 倍以上的切削加工叫高速切削加工。對于不同的材料切削速度的范圍是不一樣的。圖 1.2 所示即為幾種典型材料的高速切削速度范圍 ，對于TC17 來說，其高速范圍應該在 100m/min 以上。

2、高速切削加工的特點

長期以來，高速切削受到人們的重視，這與其特點和優(yōu)越性是分不開的。與常規(guī)切削加工相比，高速切削的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾點：

（1）隨著切削速度的大幅提高，材料切除效率大幅度增加，可達到常規(guī)切削的 3－6 倍，從而極大的提高機床的效率。

（2）高速加工時，由于機動時間、輔助時間以及非切削空行程時間的大幅度減少，因此單位時間內(nèi)材料的去除率大大提高，通常可達到常規(guī)切削的 3~6 倍，極大地提高了機床的生產(chǎn)效率。

（3）切削力大大降低。當切削速度提高到一定程度后，切削力可降低 30%以上。尤其是徑向切削力的減小和工件加工變形的減小，有利于提高薄壁件的加工精度。

（4）工件的熱變形減小。高速加工理論研究表明：當切削速度達到一定數(shù)值后，隨著切削速度的提高，切削溫度范圍會降低，而對于不同材料而言，這個速度范圍是不同的，如圖 1.1所示。高速切削時，95%~98%以上的切削熱來不及傳遞給工件，而被切屑飛速帶走，工件基本上保持冷態(tài)，因此高速切削特別適合加工容易產(chǎn)生熱變形的零件。

（5）工件振動小。由于切削力小而且變化幅度小，機床的激振頻率遠大于加工工藝系統(tǒng)的固有頻率，振動對表面質(zhì)量的影響很小，有利于提高零件的表面質(zhì)量。

（6）可加工各種難加工材料。鎳基合金和鈦合金材料的強度大、耐沖擊，加工中容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴重，常規(guī)加工難以實現(xiàn)且切削效率很低，用高速加工技術可以解決這類材料的加工問題，既能獲得較高的表面質(zhì)量，又能有較高的生產(chǎn)效率。

（7）生產(chǎn)成本降低。生產(chǎn)成本的降低體現(xiàn)在以下幾個方面：

① 零件的加工時間縮短；

② 工件一次裝夾后既可以進行粗加工，也可以進行精加工；

③ 由于切削力和切削溫度的降低，使得刀具磨損降低，使用壽命延長。而刀具的造價在工件加工成本中占有一定的比例。

④ 高速切削可以實現(xiàn)以切代磨。用切削工藝代替磨削工藝具有刀具結構簡化，工藝靈活性強，節(jié)省能源等優(yōu)越性，這些都使得工件的加工成本降低。

⑤ 與常規(guī)加工工藝比較，可以簡化加工工序從而降低加工成本。

當然，在鈦合金的高速切削領域依然有很多問題未解決，例如在高速切削鈦合金時的切削溫度和刀具磨損的研究，高速切削機理、高速切削時的表面質(zhì)量等，只有解決了這些問題才能更好的推廣高速切削的應用。在TC17 的切削研究中，高速切削領域的研究少之又少，而在急切需要提高TC17 切削效率和延長切削刀具壽命的今天，對TC17進行高速切削研究顯得十分必要。

3、鈦合金高速切削研究現(xiàn)狀

1）關于切削力和切削溫度的研究

在金屬切削過程中，切削力作為其中一種重要的物理參數(shù)，決定了切削過程所消耗的功率和加工工藝系統(tǒng)的變形，此外切削力也是分析切削過程中切削熱、刀具磨損等物理現(xiàn)象的基礎。國內(nèi)外有很多專家學者做了大量的關于切削力的研究。

Narutaki  對切削鈦合金 Ti-6Al-4V 時的切削力和切削溫度進行了較全面的研究。研究表明，當切削速度在 20~200m/min 的范圍內(nèi)時，加工 Ti-6Al-4V 的車削力不隨速度的升高而發(fā)生變化，表明切削鈦合金時刀具磨損并非切削力所致。對車削溫度方面的研究發(fā)現(xiàn)，Ti-6Al-4V 的切削溫度在 700℃以上，切削速度升高到 300m/min 時，溫度會達到 1000℃甚至更高，相比 45鋼高出約 300℃。考慮到加工時切削力較低，可知切削溫度較高是致使鈦合金難以繼續(xù)切削的主要原因。在銑削方面，他用改裝過的工件和銑刀構成的熱電偶測量了銑削時的溫度值，所用銑刀直徑 2mm，在 157~400m/min 的銑削速度范圍內(nèi)，銑削溫度值接近 700℃。

Dewes等對模具鋼的高速銑削進行了溫度研究，用不同的測溫方法（紅外、熱電偶），研究了從粗加工到精加工時銑削溫度與各切削參數(shù)的關系。在低于 200m/min 的相對低速條件下，隨著切削速度的提高，切削溫度由不足 200℃上升到 300℃，且從趨勢變化來看，切削溫度一直在上升。試驗同時研究了徑向切深、軸向切深和刀具磨損等對銑削溫度的影響，并比較了熱電偶測溫和紅外測溫兩種方法的特點，認為紅外測溫由于本身靈敏度低導致測量結果偏低。

F. Klocke, N等人在分析和實驗的基礎上，對涂層硬質(zhì)合金刀具銑削 Ti-6Al-4V 的效率進行了評價，用有限元的方法分析了切削時的應力-應變曲線。分析了涂層的耐沖擊性與對應刀具的切削效果，并得到不同切削條件下的溫度值。

李亮 等人對鈦合金 Ti-6Al-4V 的銑削溫度進行了研究，并對夾絲熱電偶的測溫原理進行了闡述，通過對溫度信號和銑削力信號的比較，揭示了切削過程中切削溫度相對于切削力的滯后現(xiàn)象，試驗在 100~800m/min 的速度范圍內(nèi)測量了刀刃溫度和工件表面溫度的變化，未發(fā)現(xiàn)隨著切削速度提高切削溫度上升趨緩。

劉鵬使用聚晶金剛石（PCD）刀具對鈦合金 TA15 進行了切削研究，分析了高速加工時的動態(tài)切削力變化以及切削速度、每齒進給量、軸向切深對切削力的影響，對不同的切削速度和不同刀具磨損階段的切削力信號進行了頻譜分析。結果表明，隨著切削速度和刀具磨損的增加，切削力幅值是增加的，這一點可以用來進行切削過程的監(jiān)控。

Alauddin對鎳基高溫合金 Inconel 718 的銑削力進行了試驗研究，在 8~40m/min 的切削速度范圍內(nèi)，銑削力隨速度的增加單調(diào)下降，證明高速加工難加工材料對減小切削力和提高加工精度的作用。

李安海對 CVD（Ti(C,N)-AlO 3 ）涂層的硬質(zhì)合金刀具高速銑削 Ti6Al4V 時的刀具磨損進行了詳細深入的研究；對不同切削條件下的刀具失效特征進行了研究，并使用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析了導致涂層硬質(zhì)合金刀具磨損的原因。實驗結果表明，隨著刀具的磨損，切削力和切削溫度加速增大，二者的增大又反過來加劇了刀具的磨損，為此他還分析了在不同切削速度下切削力和切削溫度對摩擦磨損和正應力的影響。

滿忠雷等人對 TC4 鈦合金在干切削、空氣油霧和氮氣油霧介質(zhì)下高速銑削的切削力進行了研究，研究了銑削用量（徑向切深、軸向切深、銑削速度和進給速度）對銑削力的影響。得到了和 Alauddin 完全不同的結果在切削速度為 200~300m/min 時，銑削力和切削速度呈現(xiàn)完全的正相關。

山東大學的王鑫使用硬質(zhì)合金刀具對 TC11 和 TC17 進行了銑削加工試驗，銑削速度范圍為 30-60m/min，研究發(fā)現(xiàn)切削速度是決定刀具磨損特性的最重要因素，隨著切削速度的提高，出現(xiàn)劇烈磨損；帶刀尖圓弧半徑的涂層硬質(zhì)合金銑刀刀具壽命長。

2）關于刀具磨損和加工表面完整性的研究

Z．G．Wang對比了 BCBN 刀具和 CBN 刀具在鈦合金加工時的優(yōu)劣，硬度和熱導率高的 BCBN 刀具非常適合在高速條件下銑削TC4鈦合金，且隨著切削速度的升高，其磨損原因由粘結過渡到擴散。

Dearnley等人使用 P 類硬質(zhì)合金銑刀加工鈦合金后發(fā)現(xiàn)，刀具含有的 TiC容易和鈦合金材料發(fā)生化學反應，化學反應導致刀具強度降低，影響刀具使用壽命。M.Nouari  等人在150m/min 的速度下加工鈦合金，有無涂層的刀具有相同形式的磨損，導致刀具磨損的主要原因都是擴散和粘結。

許多人嘗試使用某些超硬材料的刀具來加工鈦合金，如 PCD、PCBN 刀具等。N Corduan使用 PCD 刀具車削鈦合金后發(fā)現(xiàn)其切削速度可以達到高速范圍，最大可以達到 150m/min，但是速度不宜繼續(xù)增大，PCD 刀具表現(xiàn)出來的磨損形式為均勻的后刀面磨損，且在增大切削速度時 PCD 會有嚴重的石墨化出現(xiàn)。

舒彪等人在不同的油霧介質(zhì)下對鈦合金 TC4 進行了高速切削試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)刀具磨損形式除了擴散氧化和粘結之外，不論是哪種介質(zhì)下的切削，都沒有出現(xiàn)明顯的機械磨損。南京航空航天大學的耿國盛分別用不同生產(chǎn)廠商和材料的刀具對 α 鈦合金 TA15 進行了高速銑削研究，研究發(fā)現(xiàn) TA15 的磨損形式基本都是微裂紋和溝槽磨損，刀具磨損機理為擴散和粘結的綜合作用。

Gert Adriaan Oosthuizen用細粒多晶金剛石（PCD）刀具端銑 Ti6Al4V，并研究了其磨損形式，刀具壽命切削力和表面粗糙度，研究發(fā)現(xiàn)，在切削速度為 100m/min 時，PCD 刀具比涂層硬質(zhì)合金刀具有更長的刀具壽命，隨著切削速度的增加，刀具磨損逐漸變緩，然而在速度達到更高的值時，刀具磨損卻會指數(shù)性增加。基于掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀（EDAX）分析的觀察表明，粘結磨損是刀具磨損的主要類型，之后的磨損加速可能由于較高的切削溫度和磨損的綜合效應。

沈小龍在不同銑削條件（銑削速度，刀具前角和冷卻方法）下研究了鈦合金的加工表面質(zhì)量，殘余應力和表面粗糙度，結果表明在所有銑削條件下加工表面均產(chǎn)生壓縮殘余應力，隨著銑削速度增加，壓縮殘余應力較少，表面粗糙度增加。殘余應力隨刀具前角的增加而增加。

當前角為8°時，能夠獲得最低的表面粗糙度。使用無涂層硬質(zhì)合金刀具高速銑削鈦合金時，水冷是最好的冷卻方法。

江峰研究了在不同的冷卻/潤滑條件（最小量潤滑、干切、濕切）下的工件表面粗糙度的平均值，并建立了二次模型和參數(shù)的指數(shù)模型，確定了對表面粗糙度有顯著影響的切削參數(shù)。

使用二次擬合模型優(yōu)化了切削參數(shù)，所做的驗證實驗表明模型估計值和實驗結果有良好的一致性。

Nikos C. Tsourveloudis在切削 Ti6Al4V 實驗性的數(shù)據(jù)的基礎上得出了工件表面粗糙度與切削關鍵參數(shù)和條件的關系。實驗結果通過自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）輸入到多項式模型，然后輸入模糊邏輯系統(tǒng)，其目的主要是對制作過程中的所有材料進行表面粗糙度的預測。

王鑫通過改變的切削參數(shù)及刀具的幾何參數(shù)對鈦合金TC11和TC17 進行側銑和端銑加工發(fā)現(xiàn)：表面粗糙度隨著切削速度的提高而減小，并隨著每齒進給量和軸向切削深度(端銑)、徑向切削深度(側銑)的增大而變大。

3）存在的問題

高速切削的快速發(fā)展使得高速切削工藝得到廣泛應用，目前在航空航天等領域高速切削已經(jīng)取得了巨大的經(jīng)濟效益，對高速切削的研究也越來越多。但是，在高速條件的切削力、切削溫度以及刀具磨損機理等方面還有很多現(xiàn)象解釋不清，在高速切削對工件的表面質(zhì)量的影響方面其理論和試驗數(shù)據(jù)不能很好吻合等等問題，這些問題都亟待解決。

對于本文的研究對象 TC17來說，關于其高速加工性的研究還比較少，即使有少部分相關研究，也只是停留在中低速（50m/min 左右）領域。鑒于國內(nèi)鈦合金TC17的加工水平仍有待提高，而且航空航天和武器裝備制造業(yè)對高速切削加工技術以及提高TC17鈦合金的加工效率和加工質(zhì)量有非常迫切的需要，本文擬對鈦合金TC17的高速銑削進行系統(tǒng)的研究。