鈦合金材料切削加工技術(shù)

張琳　魏文亮

摘 要：該文分析了鈦合金材料特性及加工性能，闡述了鈦合金切削加工中刀具材料、刀具幾何角度、切削參數(shù)及切削液選用等方面的基本原則，總結(jié)了鈦合金車削、銑削中通常應(yīng)注意的問題及采取的工藝措施。

關(guān)鍵詞：鈦合金 切削加工 車削 銑削

中圖分類號(hào)：V261.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（c）-00-01

鈦合金材料因比強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域中。但由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量低和化學(xué)活性大等特性，使得鈦合金材料在加工時(shí)切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重等，影響了鈦合金的加工效率，因此如何提高鈦合金的切削效率一直是航空航天行業(yè)迫切需要解決的難題。

1 鈦合金材料的特性及加工性能

（1）比強(qiáng)度高：鈦合金密度小，強(qiáng)度高，其強(qiáng)度大于超高強(qiáng)度鋼。

（2）導(dǎo)熱性差：鈦合金導(dǎo)熱、導(dǎo)溫系數(shù)小，熱量難以從產(chǎn)生切屑區(qū)轉(zhuǎn)移出去，致使刀具切削刃的溫度更高，對(duì)刀具有強(qiáng)烈的磨損作用，降低了刀具耐用度。

（3）化學(xué)性能活潑：鈦合金在高溫情況下，與空氣中的O、N、H等元素起化學(xué)反應(yīng)形成加工硬化層，使切削加工困難；同時(shí)鈦合金在加工時(shí)與刀具材料很容易產(chǎn)生親和作用，發(fā)生粘結(jié)和擴(kuò)散現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具磨損加快。

（4）彈性模量小：切削加工時(shí)工件回彈大，容易造成刀具后刀面磨損的加劇和工件變形。

（5）耐腐蝕：在550 ℃以下鈦合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被進(jìn)一步氧化，對(duì)大氣、海水、蒸汽以及一些酸、堿、鹽介質(zhì)均有較高的抗蝕能力[1]。

2 鈦合金材料切削加工的基本原則

在加工過程中，所選用的刀具材料、刀具幾何角度以及切削參數(shù)等都會(huì)影響鈦合金切削加工的效率和經(jīng)濟(jì)性，其加工原則如下。

2.1 刀具材料

刀具材料是影響切削加工重要因素，所以盡可能選用硬性好、耐磨性高的刀具材料，如硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具和高速鋼刀具等，圖1為硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具。

2.2 刀具幾何角度

切削難加工材料時(shí)，合適的刀具幾何角度有助于充分發(fā)揮刀具的切削性能，提高切削效率。切削鈦合金時(shí)有三個(gè)變形區(qū)，如圖2所示。

（1）基本變形區(qū)I：變形量大，切削力和切削熱主要自該區(qū)域。通過保持刀刃鋒利、刀尖圓弧過渡等，降低鈦合金加工時(shí)的摩擦系數(shù)和切削溫度，避免粘屑、崩刃。

（2）切屑與前刀面摩擦變形區(qū)II：直接影響刀具前刀面磨損。通過選擇較小的前角，以增大切屑與前刀面的長(zhǎng)度，減小前刀面磨損。

（3）工件已加工表面與后刀面磨損變形區(qū)III：對(duì)加工硬化和刀具后刀面磨損有較大影響。通過選擇較大的后角，以減少后刀面與已加工表面之間的摩擦。

2.3 切削參數(shù)

切削速度對(duì)刀具壽命影響最大，切削速度越高，則切削刃溫度越高，因此要選擇低速切削；同時(shí)切削深度對(duì)刀具壽命影響較小，所以在零件和機(jī)床剛度允許的條件下，采用較大的切削深度。

2.4 冷卻液

可以把刀刃的熱量帶走和沖走切屑，降低切削溫度，有效提高生產(chǎn)率和改善被加工零件表面質(zhì)量。一般切削液有三類，即水或堿性水溶液，水基可溶性油質(zhì)溶液和非水溶性油質(zhì)溶液[2]。

3 鈦合金材料切削加工工藝

3.1 車削

鈦合金車削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。針對(duì)這些特點(diǎn)車削鈦合金時(shí)應(yīng)注意的問題：（1）車削參數(shù)盡量選用低速切削，大切削深度。對(duì)于粗加工，切削速度45～70 m/min，進(jìn)給量0.10～0.15 mm/r；對(duì)于精加工，切削速度80～100 m/min，進(jìn)給量0.05～0.10 mm/r。（2）精加工時(shí)夾緊力不要太大，減小加工零件的變形量。（3）加工完后，對(duì)零件輪廓按最后一次走刀路線再加工一次，消除因切削力造成的零件變形及讓刀。

3.2 銑削

鈦合金銑削比車削困難，因?yàn)殂娤魇菙嗬m(xù)切削，并且切屑易與刀刃發(fā)生粘結(jié)，形成崩刃，極大地降低了刀具的耐用度。針對(duì)這些特點(diǎn)銑削鈦合金時(shí)應(yīng)注意的問題：（1）一般采用順銑，順銑時(shí)切削的深度由大變小，切屑由厚變薄，且總是薄的一邊最后離開刀齒，切屑容易折斷，提高了刀具壽命。（2）粗加工對(duì)加工質(zhì)量的影響較小，應(yīng)選擇大切深、小進(jìn)給、低轉(zhuǎn)速；精加工應(yīng)減少加工變形、提高表面質(zhì)量，采用較高的轉(zhuǎn)速、小切深。（3）鈦合金加工后，在已加工表面會(huì)形成0.1～0.2 mm的硬化層，所以二次切深應(yīng)大于0.2 mm；粗加工預(yù)留單邊余量應(yīng)大于0.2 mm。

4 結(jié)語

該文結(jié)合目前的一些研究成果和生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗(yàn)，主要從鈦合金材料特性、刀具、切削參數(shù)和冷卻液等方面進(jìn)行闡述，總結(jié)了鈦合金車削、銑削中通常應(yīng)注意的問題及采取的工藝措施，希望對(duì)同行能起到一定參考作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 毛文革.鈦合金的切削加工[J].航空制造技術(shù)，2001（1）.

[2] 周澤智.鈦合金材料切削加工刀具的選擇[J].機(jī)械制造，2001（8）.