鈦合金的車削加工策略

王英武

摘 要：鈦合金材料因比強度高、密度小、耐腐蝕、耐高溫和焊接性好等優異性能，在航空領域得到越來越廣泛的應用。基于上述優點，鈦合金材料成一些零部件的首選材料。隨著航空航天領域發動機產品的更新換代，鈦合金的使用比重越來越大，成為飛機發動機理想的制造材料。

關鍵詞：鈦合金;車削;加工;方法

鈦合金以其比強度高、機械性能及抗蝕性良好而成為飛機及發動機理想的制造材料，但由于其車削加工性差，長期以來在很大程度上制約了它的應用。隨著加工工藝技術的發展，近年來，鈦合金已廣泛應用于飛機發動機的壓氣機段、發動機罩、排氣裝置等零件的制造以及飛機的大梁隔框等結構框架件的制造。傳統的鈦合金車削加工因其車削速度低，刀具耐用度低，加工質量難于控制，導致加工效率低。提高機床、夾具、工件和刀具組成的工藝系統剛度，可解決鈦合金薄壁件車削加工變形問題。

一、刀具材料選擇

刀具是高速車削加工中最活躍的因素之一，它直接影響著加工效率、制造成本和產品的加工精度。刀具在高速加工過程中要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊和振動，因此其硬度和耐磨性、強度和韌性、耐熱性、工藝性能和經濟性等基本性能是實現高速加工的關鍵因素。鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點也給加工帶來了極大的挑戰，尤其是車削刀具，因鈦合金的車削性差而導致刀具磨損快等加工難題頻繁出現，嚴重影響了加工精度和效率。刀具材料是影響車削加工的重要因素之一，所以合理選擇刀具材料是解決難加工材料車削的一條有效途徑。滿足以上要求的刀具有：陶瓷刀具、涂層硬質合金刀具、立方氮化硼刀具（CBN）及類金剛石刀具（PCD）等。選擇刀具材料時，要考慮刀具材料的導熱性能，YG類優于YT類。車削鈦合金產生單元切屑，變形系數近似為1，刀屑接觸長度很短，車削力集中于刃口附近，單位車削力大，易崩刃。鈦合金材料車削用刀具有硬質合金刀具、涂層刀具、金剛石刀具和高性能高速鋼刀具 等。因此，要選擇韌性要好，sbb≥200kg/mm2。刃口要鋒利，后角要大，鈍圓半徑要小。避免使用鈍刀車削。經多次鈦合金車削加工試驗、優選了刀具材料，確定了刀具幾何參數，依據刀具磨損情況，提供了較為合理的車削數據。硬質合金刀具宜用金剛石砂輪刃磨，車削時刃口必須鋒利，前后刀面的表面粗糙度Ra值應小于0.4um，刃口部分不允許有微小的缺口。刀具刃磨后進行研磨，其耐用度可提高30%。

二、刀具幾何參數選擇

刀具的主要幾何參數有前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角和刀尖圓角半徑等。刀具的前角愈大，刀具愈鋒利，車削力愈小，適用于精加工。刀具幾何參數選擇前角g0=4°～8°，后角a0=12°～18°，主偏角？45°～75°，刃傾角l=0°，刀尖圓弧半徑r=0.5～1.5mm。例如，有學者對刀具幾何參數進行了分析，TC18鈦合金銑削試驗研究刀具幾何參數對銑削力與表面粗糙度的影響，結果表明刀具前角8°、后角10°、螺旋角40°時，刀具車削性能最好。盡管大多數人喜歡選用正前角槽形刀具，但事實上稍帶負前角槽形的刀具能以更高的進給去除材料，并且每齒進給量可達0.5mm。但是這同時也意味著必須保持最佳穩定狀態，即機床應非常堅固，且裝夾應極其穩定。

三、注意車削速度

車削速度是影響車削熱產生的首要因素。結果表明，車削速度的選擇必須十分小心。在某些情況下，當 車削速度提高10%-15%，則刀具壽命會下降，這表明車削速度的調整幅度過大。車削速度宜低，以免車削溫度過高。進給量適中，過大易燒刀，過小則因刀刃在加工硬化層中工作而磨損過快。車削深度可較大，使刀尖在硬化層以下工作，有利于提高刀具耐用度。在車削加工中，鈦合金最重要的特性就是熱傳導性差。因為車削時發作的高溫很難被工件吸收而集合于刀具車削刃上，過多的熱量促進車削刃與切屑之間發作化學反應并發作月牙洼磨損。參數設定時需要考慮的是進給量，進給量的大小對產生車削溫度的大小影響不是很大，在保證加工效率的前提下，減小車削速度增大進給量是合理的車削方式。實驗表明車削速度越高，車削溫度會隨之增加，直接影響刀具的磨損和壽命。因此，要選擇合適的車削速度。

四、冷卻液使用要合理

鈦合金是比強度很高的難加工材料，車削區溫度快速增高，刀具快速磨損。通過加冷卻液和工具表面鍍膜等方法來提高刀具壽命。由于鈦合金在加工過程中，溫度很高，化學活性大。在微量車削時，易出現燃燒現象，所以必須加注充分的車削液。常用的車削液有乳化液和極壓水溶性車削液。為保證加工質量及提高刀具的耐用度，還應考慮到冷卻液的使用，比如要充分對加工區域進行冷卻，冷卻液不僅可以有效降低車削溫度，還可以減少車削時對刀具的黏結現象，提高效率，延長刀具使用壽命。高速鋼刀具最適合于成形車削、車槽或切斷。對于連續車削車削時使用易溶于水的冷卻液較好。5%硝酸鈉水溶液或5%可溶性油乳水溶液可獲得很好的效果。車削冷卻液有助于冷卻刀具和排除車屑，一般不進行干車削。

五、結束語

作為典型的難加工材料，鈦合金的加工技術能映一個國家的航空制造技術水平。鈦合金加工時的車削力只是略高于同等硬度的鋼，但是加工鈦合金的物理現象比加工鋼要復雜得多，從而使鈦合金加工面臨巨大的困難。因此，通過以上對鈦合金車削性能分析、合理選擇刀具及加工參數等問題，有效的解決了鈦合金零件車削時刀具耐用度低等問題。實踐證明，要在超硬刀具高速車削鈦合金關鍵技術方面取得突破，須通過進一步合理地選擇刀具材料及幾何參數，優選車削用量，針對不同的加工對象制定相應的加工工藝規范，加強對鈦合金車削加工工藝的研究，最終高效率地加工出表面完整性優異的航空零件。

參考文獻

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