钛合金切削加工特点及刀具材料的选用

　　钛合金以优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐腐蚀性，被誉为是一种使人类走向太空时代的战略性金属材料，不仅在航空航天及军工领域得到广泛的使用，而且开始逐渐渗透到经济生活的各个方面。随着中国航空航天事业的发展，钛合金的加工技术受到更多的关注和研究。

　　钛合金的分类

　　钛合金按照不同的方法有不同的分类，最常用的分类方法是按退火后组织特点分类，可分成α、α+β、β型钛合金。

　　α 型钛合金密度小，有很好的热强性和热稳定性，焊接性能好，室温、超低温和高温性能良好，但不能进行热处理强化。例如TiAl在600℃时，仍然有很高的强度，而且蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等方面都有好的表现，常用于喷气发动机涡轮盘和叶片的制造。

　　α+β型钛合金双相合金，组织稳定，韧性、塑性和高温变形性能随着β相稳定元素的增加而提高；有较好的热压力加工性，能进行淬火时效使合金强化，热处理后的强度约比退火状态提高50％ ~100％ ；高温强度高，可在400~500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α 钛合金。α+β型钛合金中Ti-6Al-4V（ 中国牌号TC4） 是钛合金中使用量最大的钛合金，在美国，其产量占钛合金产量一半以上，以其优良的综合力学性能和切削加工性大量用于航空零件制造。图1为钛合金航空发动机叶轮。

　　β钛合金是β相固溶体组成的单相合金，室温的强度较高，冷加工和冷成型加工能力强，未热处理即具有较高的强度，淬火时效后合金强度得到进一步强化，室温强度可达1372~1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

　　钛合金切削加工的特点

　　钛合金本身所具有的物理和化学性能给切削加工带来了困难，具体表现有以下6点。

　　（1）钛合金的导热性差，是不良导热体金属材料。由于导热、导温系数小，是45号钢的1/6，所以在加工时所产生的高热量不能有效扩散，同时刀具的切削刃和切屑的接触长度短，使热量大量聚集在切削刃上，温度急剧上升，导致刀刃的红硬性下降，刀刃软化，加快刀具磨损。

　　（2）钛合金的亲和力大。钛合金在加工中黏刀现象严重。增大了刀体与工件的摩擦，摩擦导致大量的热，降低了刀具的使用寿命。

　　（3）高的化学活性。在加工中，随着切屑温度的升高，容易与空气中的O、N、CO、CO2、H2O 等发生反应，使间隙元素O、N的含量增加，工件的表面氧化变硬，难以加工，增大了刀具单位面积上所承受的切削力，刀尖应力变大，同时使前刀面和后刀面与工件的摩擦加剧，这将导致刀刃迅速磨损或崩刃。

　　（4）钛合金的变形系数不大于1。在切削加工中，刀- 屑接触面积小，增大了切屑和前刀面的摩擦，提高了切削温度，加快了刀具前刀面磨损。

　　（5）钛合金的弹性模量小，在切削中容易产生较大变形、回弹、扭曲和振动，造成加工件几何形状和精度差，表面粗糙度增大，刀具磨损增加。

　　（6）不同的加工方法，钛合金的加工难度不同。按机械加工由易到难排序为：车削、铣削、钻削、磨削。其中钻小直径深孔更困难。

　　钛合金切削加工的刀具材料

　　钛合金加工的高成本是阻碍其广泛使用的主要原因，寻求一种高效率、低成本的加工方法已成为当今钛合金研究的热点。刀具材料的选择对于钛合金的加工有很大影响。加工钛合金的理想刀具材料必须同时具备较高的热硬度，良好的韧性、耐磨性，高的导热系数和较低的化学活性，在铣削时，刀具还应具有良好的抗冲击性。

　　当今在生产实际中用来加工钛合金的刀具材料主要有：硬质合金、聚晶金刚石（PCD） 、聚晶立方氮化硼（PCBN） 等。经过生产实际验证，硬质合金和PCD 刀具被认为是加工钛合金比较理想的刀具材料。

　　1.硬质合金刀具

　　硬质合金刀具是目前加工钛合金应用最为广泛的一种刀具。因其低廉的价格、优良的导热性、较高的硬度、韧性和红硬性己成为国内企业加工钛合金的首选。硬质合金按晶粒的大小可分为普通硬质合金、细晶粒硬质合金和超细晶粒硬质合金；按化学成分可分为钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）和添加稀有碳化物类（YW）。由于钨钴钛（YT）类刀具和钛合金有强烈的亲和力，所以目前在工业生产中获得广泛应用的仍然是钨钴类硬质合金YG8、YG6、YG3等。如果使用添加的稀有金属的细晶粒硬质合金YA6、YD15、YG10H、YS2等，可提高刀具的寿命和加工效率。

　　硬质合金刀具加工钛合金的速度可以达到45m/min以上，但当切削速度继续增加时，刀具和工件接触面的温度迅速升高，同时由于Co的熔点较低，在高的切削温度及元素扩散作用下，造成了刀具材料中W和Co元素的扩散和流失，降低了刀具的硬度和韧性，使硬质合金刀具发生严重的塑性变形、粘结磨损和扩散磨损，导致刀具失效，因此，硬质合金刀具只适合切削速度小于75m/min的钛合金。

　　2.聚晶金刚石（PCD）刀具

　　聚晶金刚石刀具（见图3）具有极高的硬度和耐磨性、刃口锋利、低摩擦系数、高弹性模量、高导热系数、以及与非铁金属亲和力小等优点。

　　金刚石刀具主要有聚晶金刚石（PCD）刀具和化学气相沉积刀具（VCD）金刚石刀具。金刚石类刀具适用于钛合金的精加工和超精加工。金刚石的耐热温度只有700~800℃，加工时必须进行充分的冷却和润滑。试验表明，在切削速度105m/min的情况下车削钛合金Ti-6A1-4V时，PCD刀具并没有发生粘结磨损，在刀具前、后刀面也都粘有较多钛合金，这些粘着物会被切屑慢慢带走，不会对切削刃带来损害，因为在刀具表面会形成一层薄薄的TiC层，这种TiC层很稳定，能很大程度降低PCD刀具前、后刀面的粘结和扩散磨损。但是由于PCD刀具刀尖锋利和切削温度高，在切削加工中更易发生微崩刃和石墨化引起的沟槽磨损。

　　3.聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具

　　如图4所示为聚晶立方氢化硼PCBN车刀，PCBN刀具的硬度虽然略低于金刚石，但却远远高于其它高硬度材料，而且PCBN 刀具热稳定比金刚石高得多，可达到1200℃以上，适合高温干切削。另一个优点是化学惰性大，与钛合金在1200℃不起化学反应。

　　PCBN刀具加工钛合金与硬质合金刀具相比，有切削速度高、表面粗糙度低和刀具寿命长等特点，并且在高速、低进给量、低背吃刀量的条件下，有更长的刀具寿命和非常好的工件加工表面粗糙度，因此PCBN刀具更适合用作钛合金的精加工，但由于PCBN 刀具脆性很大，在切削加工中应重视刀具可能产生的破损和崩刃问题。

　　钛合金切削加工的一般原则

　　美国、日本、前苏联从20世纪60年代开始，由于军事工业和飞机制造业的需要，开始对钛合金的切削加工原则进行系统的研究，并获得了大量的成果。钛合金主要的切削原则有以下5 点。

　　1.切削速度：

　　切削速度是影响刀刃温度的重要因素。过高的切削速度会导致刀刃过热、刀刃粘结和扩散磨损严重，刀具重磨频繁，会缩短刀具寿命。同时会导致钛合金工件表面层开裂或氧化，影响其力学性能，所以应在保证较大的刀具耐用度的前提下，选择适当的切削速度，降低成本，保证加工质量。

　　2.进刀深度和走刀量：

　　走刀量的变化对温度的变化不大，所以降低切削速度增大走刀量是合理的切削方式。如果有氧化层和皮下气孔层的情况，大的切深可直接切到基体未氧化金属层，提高刀具的寿命。

　　3.刀具的几何角度：

　　在切削钛合金时，选择与加工方法相适应的前角和后角等几何参数，并对刀尖适当的处理，会对切削效率和刀具的寿命有重要的影响。试验证明，当车削时为了改善散热条件和增强切削刃，前角一般取5°~9°；为了克服因回弹而造成的摩擦，刀体的后刀面一般取10°~15°；当钻孔时，缩短钻头长度、增加钻心的厚度和导锥量，钻头的耐用度可提高好几倍。

　　4.夹具的夹紧力：

　　钛合金易变形，夹紧力不能过大，特别在精加工工序时，可以选择一定的辅助支承。

　　5.切削液：

　　切削液是钛合金加工中不可缺少的工艺润滑油。切削液不仅可以有效降低切削温度，减少刀具和切削摩擦产生的热量，还可以充当切削过程的润滑剂，减少钛合金的切屑和刀具面的黏结，提高效率、降低成本，延长刀具的寿命。但不能使用含有氯或其它卤元素和含硫的切削液，这类切削液会对钛合金的力学性能产生不良影响。

　　结束语

　　综上所述，钛合金因其优良的性能在航空航天工业的使用比例逐年增加，但受切削加工成本高和加工效率低的影响，目前应用仍然受到较大限制。随着刀具材料的研发和加工工艺的不断完善，钛合金的加工效率会大大地提高，加工成本将会明显下降，从而在造船、汽车制造、化工、电子、海洋开发等领域拥有广阔的应用前景。
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