浅谈钛合金切削加工技术研究

浅谈钛合金切削加工技术研究

王雪峰

江苏省盐城技师学院  江苏盐城 224002

摘要：钛合金是以Ti为主要成分的合金，并含铝、钒、铁和锰等元素以提高其性能。钛合金是典型的难加工材料，加工时刀-屑接触面积小、应力大、温度高，刀具粘结磨损、扩散磨损严重。刀具材料的合理选择是应对钛合金加工的首要问题，含钛刀具在高速下可以用于切削钛合金。在一定条件下刀具表面形成稳定的钛合金粘接层，可以起到抑制磨损的作用。随着数值计算理论和软件工具的不断发展，切削过程仿真和预测必将在钛合金切削加工理论和技术的研究中起到越来越重要的作用。本文就钛合金切削加工技术展开探讨。

关键词：钛合金；切削加工；技术；研究

引言

钛合金材料因比强度高、密度低、耐腐蚀和耐高温等优良性能而被广泛应用在航空航天领域中。但由于钛合金导热系数小、弹性模量低和化学活性大等特性，使得钛合金材料在加工时切削温度高，刀具磨损严重等，影响了钛合金的加工效率，因此如何提高钛合金的切削效率一直是航空航天行业迫切需要解决的难题。

1钛合金材料的基本性能

相比其他合金，钛合金具有高比强度、耐腐蚀、轻质、耐热性和耐低温性等特性，并且具有超导、贮氢和形状记忆的特殊属性。根据钛合金相的相对含量可以把钛合金分为α型、β型和α＋β型，其相应的国内牌号为TA，TB和TC。α相钛合金属于密排六方结构，具有较高的强度、韧性和可焊性，并且在高温环境下对氧污染具有明显的抵抗性、耐磨性高于纯钛、具有较好的切削加工性，但成型能力较差，典型合金有TA7。β相钛合金属于体心立方结构，在室温下具有较高的强度、较好的冷成型性，但其热稳定性较差、在成型过程中易受污染而损坏、切削加工性相对较差，使用较少，典型合金有ＴB1和TB2。α＋β相钛合金具有良好的室温强度和成型性能，材料组织稳定，切削加工性能介于α型和β型钛合金之间，适用范围广用量较大，典型合金有TC4。钛合金根据应用领域的不同，其研究的侧重点也会有所差异。在航天航空领域中多以材料的比强度、耐热性、疲劳寿命和韧性等作为研究重点，以发展综合力学性能优异的钛合金材料为目的；在非航空领域中多以材料的可加工性、耐腐蚀性等性能作为研究重点，以发展成分简单或低合金化的合金材料为目的。

2钛合金切削加工性特点

钛合金是典型的难加工材料，其主要切削加工特点如下。（1）切屑与前刀面接触面积小、刀尖应力大、温度高。与45#钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3-3/4，但由于钛合金切屑与刀具前刀面的接触面积更小，只有45#钢的1/2-2/3，导致刀具承受的应力反而更大，是45#钢的1.3-1.5倍，温度可为45#钢的2倍，从而使得刀尖和切削刃容易磨损。（2）摩擦系数大。在相同条件下，钛合金材料与普通碳钢相比，其摩擦系数大，切屑流经前刀面时所作的摩擦功大，导致摩擦界面温度更高，使刀具易于磨损。（3）化学活性高。钛合金高温时化学活性很高，能与空气中的氧、氮和水蒸气等发生化学反应，在钛合金表面生成硬化层，导致工件硬度大幅度提高，同时降低了工件塑性并且使切屑与前刀面的接触长度进一步减少，导致刀具磨损加快。（4）热传导率低。钛合金的导热系数分别只有铁的1/5、铝的1/14，加之刀具与切屑的接触长度短，使得切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，导致刀具温度过高，加快了刀具的磨损。（5）弹性模量小。由于钛合金弹性模量小、屈强比大，使得工件的己加工表面在切削过程中极易产生回弹，容易造成刀具的后刀面磨损加剧和工件变形。

3钛合金切削加工技术

3.1刀具材料的选择

刀具材料的合理选择是应对钛合金加工的首要问题，含钛刀具在高速下可以用于切削钛合金。在一定条件下刀具表面形成稳定的钛合金粘接层，可以起到抑制磨损的作用。随着高速切削技术的发展，高速切削刀具材料和刀具制造技术都发生了巨大的变化，新材料、新涂层、新技术不断涌现然而，目前刀具技术仍是限制钛合金等难加工材料加工效率提高的一个技术瓶颈因此，按照钛合金材料自身加工的特性，要求刀具应具有抗变强度高，石更度高韧性好热硬性好，耐磨性好及散热性好等特性从提高金属去除率的角度出发，目前钛合金航空结构件高效粗加工刀具主要有玉米铣刀、插铣刀、大进给铣刀以及组合刀具等。

3.2切削参数

切削速度对刀具寿命影响最大，切削速度越高，则切削刃温度越高，因此要选择低速切削；同时切削深度对刀具寿命影响较小，所以在零件和机床刚度允许的条件下，采用较大的切削深度。

3.2钛合金高速切削技术

高速切削的主要特征是在常规切削的基础上大幅提高切削速度。“高速”是一个相对概念，具体值取决于工件材料的力学性能等。对钛合金而言，一般切削速度超过100m/min即可认定为高速切削。高速切削具有以下优势：（1）加工效率高。高速切削一般同时采用高主轴转速和快进给速度，从而使材料去除率成倍提高，最高可达常规切削的5倍甚至更高。（2）可提高工件表面质量和加工精度。高速切削时，由于剪切变形区变窄等因素，切削力小于常规切削时的切削力，有利于保证零件尤其是薄壁件的加工精度；同时，大部分切削热被切屑带走，传入工件的热量比例较低，有助于提高其表面质量和加工精度。（3）刀具相对寿命长。在高速切削条件下，虽然刀具的使用时长有所下降，但切削效率的提升更为明显，即等量的刀具磨损可完成更多的切削任务。换言之，刀具的相对寿命得到提升。（4）高切削速度条件下，切削过程产热增多。这对机床的冷却系统以及刀具的耐磨性和热强性等是一个挑战。此外，高速切削还要求机床具有较高的刚度和精度等，以充分发挥其工艺优势。目前美、日、德等国在上述方面的发展水平处于领先位置。

3.4钛合金材料切削加工工艺

（一）车削。钛合金车削易获得较好的表面粗糙度，加工硬化不严重，但切削温度高，刀具磨损快。针对这些特点车削钛合金时应注意的问题：（1）车削参数尽量选用低速切削，大切削深度。对于粗加工，切削速度45-70m/min，进给量0.10-0.15mm/r；对于精加工，切削速度80-100m/min，进给量0.05-0.10mm/r。（2）精加工时夹紧力不要太大，减小加工零件的变形量。（3）加工完后，对零件轮廓按最后一次走刀路线再加工一次，消除因切削力造成的零件变形及让刀。（二）铣削。钛合金铣削比车削困难，因为铣削是断续切削，并且切屑易与刀刃发生粘结，形成崩刃，极大地降低了刀具的耐用度。针对这些特点铣削钛合金时应注意的问题：（1）一般采用顺铣，顺铣时切削的深度由大变小，切屑由厚变薄，且总是薄的一边最后离开刀齿，切屑容易折断，提高了刀具寿命。（2）粗加工对加工质量的影响较小，应选择大切深、小进给、低转速；精加工应减少加工变形、提高表面质量，采用较高的转速、小切深。（3）钛合金加工后，在已加工表面会形成0.1-0.2mm的硬化层，所以二次切深应大于0.2mm；粗加工预留单边余量应大于0.2mm。

结语

钛合金是典型的难加工材料，加工时刀-屑接触面积小、应力大、温度高，刀具粘结磨损、扩散磨损严重。刀具材料的合理选择是应对钛合金加工的首要问题，含钛刀具在高速下可以用于切削钛合金。在一定条件下刀具表面形成稳定的钛合金粘接层，可以起到抑制磨损的作用。随着数值计算理论和软件工具的不断发展，切削过程仿真和预测必将在钛合金切削加工理论和技术的研究中起到越来越重要的作用。

参考文献

[1]毛文革.钛合金的切削加工[J].航空制造技术，2019（1）.

[2]周泽智.钛合金材料切削加工刀具的选择[J].机械制造，2019（8）.