鈦合金材料特性及切削加工方法

鈦合金材料的應(yīng)用目前已成為僅次于鐵、鋁的第三種金屬材料，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域各行業(yè)，特別是近年來(lái)航空工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用急劇增加（如B787、A380及軍用航空器），其發(fā)展之迅猛給予加工制造行業(yè)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，如生產(chǎn)效率低、刀具壽命段、零件加工質(zhì)量廢品率高等。因此，對(duì)金屬加工刀具綜合性能提高及合理有效的加工方法也提出了更高、更新的挑戰(zhàn)。

首先，鈦合金相對(duì)密度低（ρ=4.5g/cm³）、比強(qiáng)度（σ b 和ρ 比）高，彈性模量小；具有良好的塑性和韌性；鈦合金在高溫或低溫狀況下能保持較穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能。如某些鈦合金和工業(yè)純鈦在－253℃超低溫下塑性和韌性仍然良好，而某些鈦合金在550℃高溫條件下長(zhǎng)期使用仍然能保持較高的熱穩(wěn)定性；另外，鈦合金具有優(yōu)異的耐蝕性，它比 不銹鋼的鈍態(tài)區(qū)域?qū)挘趸た孤入x子能力強(qiáng)。在海洋大氣、海水、濕氯氣、氯化物、次氯酸、硫化物、硫酸鹽、大多數(shù)氧化性酸和有機(jī)化合物環(huán)境下，都有其優(yōu)良的耐蝕性，同時(shí)鈦合金還具有較高的抗沖擊性能。因此常常被用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和大型飛機(jī)起落架、潛艇和醫(yī)療器械（見(jiàn)圖1）。

1、鈦合金材料的特性

近年來(lái)，航空器產(chǎn)品的不斷升級(jí)，如航空器零部件設(shè)計(jì)力求重量輕、體積緊湊等要求，很多零部件的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、形面多樣化等，使各種高強(qiáng)度鈦合金材料在航空器上的大量應(yīng)用，從而需要更好的加工工藝方法和先進(jìn)的刀具設(shè)計(jì)、制造技術(shù)來(lái)滿足其加工要求。

對(duì)于航空器的特殊要求，科學(xué)家們不斷研發(fā)出與其適配的新型航空器鈦合金材料，來(lái)滿足航空器機(jī)械零部件的高剛性、大強(qiáng)度和重量輕、體積小等設(shè)計(jì)要求。隨之而來(lái)造成后續(xù)的鈦合金機(jī)械零件加工效率低、工藝性差。金屬切削加工中，切削刀具與被加工零件材料之間關(guān)系相互矛盾。當(dāng)相互對(duì)立又相互聯(lián)系的任何一方，如果有了新的突破和創(chuàng)新，就會(huì)迫使另外一方獲得一個(gè)更新的發(fā)展。如果仍然采用傳統(tǒng)材料的加工方法和加工刀具，將會(huì)在加工效率、加工質(zhì)量和加工刀具成本上大打折扣。為了應(yīng)對(duì)和適應(yīng)新型鈦合金零件的不斷 增加和對(duì)其加工性能、加工效率和加工精度等方面的要求，刀具界都在不斷地改進(jìn)各自的刀片基體材質(zhì)、幾何角度設(shè)計(jì)、涂層技術(shù)和創(chuàng)新的加工方法，來(lái)滿足對(duì)新的鈦合金材料零件的高效加工要求，特別是滿足近年來(lái)對(duì)航空器需求量猛增，承載能力提高、碳排放和節(jié)能的要求。

2、鈦合金材料的加工方法

根據(jù)以往加工鈦合金材料的刀具應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，加工方法和參數(shù)合理選擇非常重要。另外，使用特殊的加工技巧和特殊的刀具幾何參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)于提高加工效率、延長(zhǎng)刀具壽命非常有效。

無(wú)論采用哪種加工方法，其目的是為了最大限度地降低加工切削部位的刀尖和零件溫度，防止被加工零件表面硬化、刀尖溫度過(guò)高。由于切屑形成實(shí)際上是一個(gè)擠壓、變形、剪切和摩擦的過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱（見(jiàn)圖2），往往采用增加散熱區(qū)域、控制切削力、采用擺線走刀和大進(jìn)給銑削等方法均能提高其加工效率，延長(zhǎng)刀具壽命。對(duì)于同樣的機(jī)床、零件和刀具，加工鈦合金材料的切削方法不同對(duì)于刀具壽命和加工效率，會(huì)有截然不一樣結(jié)果。擺線切入法可最大限度減小刀具與被加工表面的切削區(qū)域，使得刀具的實(shí)際切削包角最小，延長(zhǎng)刀具每一轉(zhuǎn)每齒的散熱時(shí)間；螺旋插補(bǔ)使得每齒切削量相對(duì)均勻，特別是在加工零件內(nèi)拐角處最為明顯；大進(jìn)給切削方式，以小的切削深度、大的進(jìn)給有效地減小了切削力，使得加工中產(chǎn)生最小的切削熱、加工區(qū)域溫度最低。無(wú)論采用哪種銑削方式， 最終目的都是為了最大限度降低切削力、減小切削區(qū)溫度。

一種優(yōu)秀的鈦合金加工刀具，必須具備鋒利的切削角度、強(qiáng)度高的切削刃口、耐熱的表面涂層，配以不同一般材料的切削加工方法等一切有利于降低加工區(qū)域溫度和快速散熱的效果。要做到這一點(diǎn)務(wù)必從以下幾個(gè)方面思考和實(shí)現(xiàn)：

首先，在加工鈦合金零件中實(shí)現(xiàn)切屑有效合理的斷屑，最大限度地控制被加工區(qū)域的溫度。

一般材料在機(jī)械加工中大量的切削熱產(chǎn)生在切屑上，能夠有效地產(chǎn)生斷屑，會(huì)使加工中產(chǎn)生大量的切削熱被切屑帶走。在車削過(guò)程中，我們最理想的切屑形狀為“C”字、“6”字形或“9”字形（見(jiàn)圖3）。 特別是對(duì)于粗加工工序，在整個(gè)加工系統(tǒng)剛性允許的情況下，盡可能使其在整個(gè)加工過(guò)程中產(chǎn)生斷屑。但對(duì)于鈦合金材料的加工卻很不相同，由于鈦合金材料的特殊特性，在加工中大量的切削熱會(huì)保持在刀尖和被加工零件表面區(qū)域。不但對(duì)加工過(guò)程中斷屑有嚴(yán)格的要求，同時(shí)對(duì)刀具材料耐熱性、刃口的鋒利和強(qiáng)度還要有特殊的要求。

其次，建議在銑削加工鈦合金零件時(shí)盡可能采用逆銑方式，使得切削過(guò)程中形成的切屑由厚變薄（見(jiàn)圖4），當(dāng)刃口切入后溫度急劇升高時(shí)，切屑已經(jīng)逐漸變薄刃口隨即切出。這種銑削方式能夠大幅降低切削刃口溫度，延長(zhǎng)刀具壽命。因?yàn)轫樸娂庸ぴ诘毒咔邢魅羞M(jìn)入被加工零件表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生急劇的摩擦和滑移，產(chǎn)生大量的切削熱造成被加工表面硬化、刀具刃口壽命短。

另外，充分的冷卻能夠明顯提高刀具壽命。對(duì)于具有內(nèi)冷卻的CNC機(jī)床，應(yīng)該盡可能使用最利于降溫的內(nèi)冷卻功能，并推薦使用內(nèi)冷卻刀具，以便機(jī)床強(qiáng)有力的高壓流體帶走大量的切削熱，確保加工區(qū)域在一定的溫度范圍。對(duì)于沒(méi)有內(nèi)冷卻功能的機(jī)加工機(jī)床，強(qiáng)烈建議使用外傳內(nèi)冷卻刀柄增強(qiáng)冷卻效果。同時(shí)，選用特殊的冷卻流體和合理的冷卻流體濃度（推薦濃度10%左右）也非常重要。

對(duì)于鈦合金零件的加工，由于鈦合金材料零件彈性模量小，在加工過(guò)程中遇到零件上的尖角易反彈。應(yīng)采用不同的切入、切出方式，避免在切入或切出時(shí)材料反彈，造成刀具刃口損壞。一般建議采用圓弧切入（見(jiàn)圖5），并提前加工切出部位的尖角（見(jiàn)圖6），當(dāng)?shù)毒咔谐鰰r(shí)不會(huì)再出現(xiàn)零件上的尖角反彈，損毀刀具刃口（見(jiàn)圖7）。對(duì)于內(nèi)腔圓角在精加工前應(yīng)預(yù)先處理，在精加工時(shí)零件側(cè)邊余量與內(nèi)角余量相對(duì)均勻，這樣非常有利于提高零件的表面加工質(zhì)量和刀具切削壽命（見(jiàn)圖8）。

適當(dāng)控制刀具的切削力和切削速度，也是降低加工區(qū)域溫度、延長(zhǎng)刀具壽命最有效的方法之一。通常加工鈦合金材料零件采用周邊修磨的正型刀片減小切削力，以較低的切削線速度及較小的切削寬度降低切削溫度和刀具刃口的切入時(shí)間。根據(jù)不同的鈦合金材料、零件結(jié)構(gòu)和加工系統(tǒng)剛性等因素，在通常加工鈦合金材料零件時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的切削寬度控制刀具的切削線速度。

一般來(lái)講刀具的切寬越大切削線速度越低，反之刀具切寬越小切削線速度可以提高（見(jiàn)圖9）。一般情況下，粗加工切削線速度在40～80m/min，精加工切削線速度在60～20m/min。

加工中保持適當(dāng)有效的刀具包角，使得刀具的每一個(gè)有效加工齒能夠最大限度地保證最長(zhǎng)冷卻時(shí)間。加工中保持適當(dāng)、合理地刀具有效包角，有利于提高鈦合金材料的切削效率、延長(zhǎng)刀具加工壽命。刀具有效包角，反映到切削參數(shù)上，與切削深度和切削寬度及刀具直徑有著直接的關(guān)系（見(jiàn)圖10）。特別要注意的是，在加工這類材料時(shí)，盡可能避免滿刀切削（即刀具的有效切入包角等于180o）。在實(shí)際加工中，刀具的切削包角每增大一倍，刀具壽命會(huì)減少30%左右（根據(jù)不同品牌的刀具和被加工不同材料有所差別）。因此，鈦 合金零件銑槽加工，強(qiáng)烈推薦使用擺線銑加工方法。

3、 結(jié)語(yǔ)

作為專業(yè)化刀具企業(yè)的松德公司，在生產(chǎn)現(xiàn)有阻尼減振刀具、高精密鏜刀和高精度刀柄系統(tǒng)產(chǎn)品的同時(shí)，致力于高性能鈦合金材料加工刀具的研發(fā)和制造。公司通過(guò)自身不斷創(chuàng)新發(fā)展，利用多年的刀具研制、生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)借助行業(yè)高科技、高性能及超微晶粒硬質(zhì)合金粉末的生產(chǎn)手段和國(guó)際先進(jìn)的制造技術(shù)，力求刀具基體材質(zhì)、切削槽型和表面涂層的創(chuàng)新和加工方法的優(yōu)化，使得公司生產(chǎn)的鈦合金材料刀具在加工效率和刀具壽命方面，均處于國(guó)內(nèi)刀具行列的前沿。

參考文獻(xiàn)：

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