鈦合金材料特性及切削加工方法

■ 松德刀具（長興）科技有限公司 （浙江湖州 313100） 趙曉強 李隴濤

鈦合金材料的應用目前已成為僅次于鐵、鋁的第三種金屬材料，被廣泛應用于各領域各行業，特別是近年來航空工業制造領域的應用急劇增加（如B787、A380及軍用航空器），其發展之迅猛給予加工制造行業帶來了很大的挑戰，如生產效率低、刀具壽命段、零件加工質量廢品率高等。因此，對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。

首先，鈦合金相對密度低（ρ=4.5g/cm3）、比強度（σb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定的物理、化學性能。如某些鈦合金和工業純鈦在－253℃超低溫下塑性和韌性仍然良好，而某些鈦合金在550℃高溫條件下長期使用仍然能保持較高的熱穩定性；另外，鈦合金具有優異的耐蝕性，它比不銹鋼的鈍態區域寬，氧化膜抗氯離子能力強。在海洋大氣、海水、濕氯氣、氯化物、次氯酸、硫化物、硫酸鹽、大多數氧化性酸和有機化合物環境下，都有其優良的耐蝕性，同時鈦合金還具有較高的抗沖擊性能。因此常常被用于航空發動機葉片和大型飛機起落架、潛艇和醫療器械（見圖1）。

圖1 鈦合金被用于諸多重要領域

1. 鈦合金材料的特性

近年來，航空器產品的不斷升級，如航空器零部件設計力求重量輕、體積緊湊等要求，很多零部件的結構形狀復雜、形面多樣化等，使各種高強度鈦合金材料在航空器上的大量應用，從而需要更好的加工工藝方法和先進的刀具設計、制造技術來滿足其加工要求。

對于航空器的特殊要求，科學家們不斷研發出與其適配的新型航空器鈦合金材料，來滿足航空器機械零部件的高剛性、大強度和重量輕、體積小等設計要求。隨之而來造成后續的鈦合金機械零件加工效率低、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系相互矛盾。當相互對立又相互聯系的任何一方，如果有了新的突破和創新，就會迫使另外一方獲得一個更新的發展。如果仍然采用傳統材料的加工方法和加工刀具，將會在加工效率、加工質量和加工刀具成本上大打折扣。為了應對和適應新型鈦合金零件的不斷增加和對其加工性能、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各自的刀片基體材質、幾何角度設計、涂層技術和創新的加工方法，來滿足對新的鈦合金材料零件的高效加工要求，特別是滿足近年來對航空器需求量猛增，承載能力提高、碳排放和節能的要求。

2. 鈦合金材料的加工方法

根據以往加工鈦合金材料的刀具應用經驗，加工方法和參數合理選擇非常重要。另外，使用特殊的加工技巧和特殊的刀具幾何參數設計，對于提高加工效率、延長刀具壽命非常有效。無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、刀尖溫度過高。由于切屑形成實際上是一個擠壓、變形、剪切和摩擦的過程，會產生大量的切削熱（見圖2），往往采用增加散熱區域、控制切削力、采用擺線走刀和大進給銑削等方法均能提高其加工效率，延長刀具壽命。對于同樣的機床、零件和刀具，加工鈦合金材料的切削方法不同對于刀具壽命和加工效率，會有截然不一樣結果。擺線切入法可最大限度減小刀具與被加工表面的切削區域，使得刀具的實際切削包角最小，延長刀具每一轉每齒的散熱時間；螺旋插補使得每齒切削量相對均勻，特別是在加工零件內拐角處最為明顯；大進給切削方式，以小的切削深度、大的進給有效地減小了切削力，使得加工中產生最小的切削熱、加工區域溫度最低。無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、減小切削區溫度。

圖2 切削過程分析示意

一種優秀的鈦合金加工刀具，必須具備鋒利的切削角度、強度高的切削刃口、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域溫度和快速散熱的效果。要做到這一點務必從以下幾個方面思考和實現：

首先，在加工鈦合金零件中實現切屑有效合理的斷屑，最大限度地控制被加工區域的溫度。一般材料在機械加工中大量的切削熱產生在切屑上，能夠有效地產生斷屑，會使加工中產生大量的切削熱被切屑帶走。在車削過程中，我們最理想的切屑形狀為“C”字形、“6”字形或“9”字形（見圖3）。 特別是對于粗加工工序，在整個加工系統剛性允許的情況下，盡可能使其在整個加工過程中產生斷屑。但對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保持在刀尖和被加工零件表面區域。不但對加工過程中斷屑有嚴格的要求，同時對刀具材料耐熱性、刃口的鋒利和強度還要有特殊的要求。

圖3 切屑形狀示意

其次，建議在銑削加工鈦合金零件時盡可能采用逆銑方式，使得切削過程中形成的切屑由厚變?。ㄒ妶D4），當刃口切入后溫度急劇升高時，切屑已經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，延長刀具壽命。因為順銑加工在刀具切削刃進入被加工零件表面時會產生急劇的摩擦和滑移，產生大量的切削熱造成被加工表面硬化、刀具刃口壽命短。

圖4 切削過程中切屑由厚變薄

另外，充分的冷卻能夠明顯提高刀具壽命。對于具有內冷卻的CNC機床，應該盡可能使用最利于降溫的內冷卻功能，并推薦使用內冷卻刀具，以便機床強有力的高壓流體帶走大量的切削熱，確保加工區域在一定的溫度范圍。對于沒有內冷卻功能的機加工機床，強烈建議使用外傳內冷卻刀柄增強冷卻效果。同時，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，在加工過程中遇到零件上的尖角易反彈。應采用不同的切入、切出方式，避免在切入或切出時材料反彈，造成刀具刃口損壞。一般建議采用圓弧切入（見圖5），并提前加工切出部位的尖角（見圖6），當刀具切出時不會再出現零件上的尖角反彈，損毀刀具刃口（見圖7）。對于內腔圓角在精加工前應預先處理，在精加工時零件側邊余量與內角余量相對均勻，這樣非常有利于提高零件的表面加工質量和刀具切削壽命（見圖8）。

適當控制刀具的切削力和切削速度，也是降低加工區域溫度、延長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間。根據不同的鈦合金材料、零件結構和加工系統剛性等因素，在通常加工鈦合金材料零件時，應根據不同的切削寬度控制刀具的切削線速度。一般來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60～120m/min。

加工中保持適當有效的刀具包角，使得刀具的每一個有效加工齒能夠最大限度地保證最長冷卻時間。加工中保持適當、合理地刀具有效包角，有利于提高鈦合金材料的切削效率、延長刀具加工壽命。刀具有效包角，反映到切削參數上，與切削深度和切削寬度及刀具直徑有著直接的關系（見圖10）。特別要注意的是，在加工這類材料時，盡可能避免滿刀切削（即刀具的有效切入包角等于180o）。在實際加工中，刀具的切削包角每增大一倍，刀具壽命會減少30%左右（根據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，強烈推薦使用擺線銑加工方法。

圖5 圓弧切入

圖6 提前加工切出部位的尖角

圖7 切出時不會出現尖角反彈

圖8 內腔圓角預先處理

圖9 切寬比例與切削速度的關系示意

圖10 刀具有效包角在切削參數上的示意

3. 結語

作為專業化刀具企業的松德公司，在生產現有阻尼減振刀具、高精密鏜刀和高精度刀柄系統產品的同時，致力于高性能鈦合金材料加工刀具的研發和制造。公司通過自身不斷創新發展，利用多年的刀具研制、生產和應用經驗，同時借助行業高科技、高性能及超微晶粒硬質合金粉末的生產手段和國際先進的制造技術，力求刀具基體材質、切削槽型和表面涂層的創新和加工方法的優化，使得公司生產的鈦合金材料刀具在加工效率和刀具壽命方面，均處于國內刀具行列的前沿。