引言

鈦合金材料是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，因其具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等 優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。鈦合金不僅是航天航空工業(yè)中不可缺少的重要結(jié)構(gòu)材料，其在民用領(lǐng)域也得到 了廣泛的應(yīng)用。在船舶行業(yè)中，鈦合金主要用于耐壓客體、螺旋槳、漿軸、各類(lèi)管接頭、冷卻器、冷凝器、 發(fā)動(dòng)機(jī)部件、升降裝置及發(fā)射裝置等。在醫(yī)療行業(yè)，鈦合金被認(rèn)為是很好的醫(yī)用金屬材料，常被用作植入人 體的金屬植入物等[1]。許多國(guó)家都意識(shí)到鈦合金材料的重要性，并相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，得到了很好的 實(shí)際應(yīng)用。雖然鈦合金具有強(qiáng)度高、密度小、機(jī)械性能好、韌性和抗蝕性能很好等優(yōu)點(diǎn)，但因其加工成本高 ，使得其在行業(yè)中的發(fā)展受到制約。造成加工成本高的因素有兩個(gè)方面:一方面鈦合金切削時(shí)摩擦力大、溫 度高、刀具磨損嚴(yán)重，需采用高性能刀具，因而大幅提高了其制造費(fèi)用；另一方面切削鈦合金的速度比切削 鋼的速度低50％以上。而典型鈦合金的切除率僅為普通鋼件的25％左右，故加工鈦合金零件所花費(fèi)的時(shí)間大 約是鋼件加工的4倍，極大地降低了生產(chǎn)效率，提高了生產(chǎn)成本[2－6]。但鈦合金難于切削加工不僅僅在于 其硬度，關(guān)鍵在于其本身化學(xué)、物理、力學(xué)性能綜合作用對(duì)切削加工性能的影響。

通常情況下，高精度的銷(xiāo)軸加工方法主要是先車(chē)削留0.1mm左右余量，再進(jìn)行磨削。由于鈦合金自身的 特性，在磨削過(guò)程中，零件表面不但容易產(chǎn)生硬化，而且伴隨著溫度的升高，零件表面還會(huì)出現(xiàn)裂紋，從而 影響表面質(zhì)量。為了解決這一問(wèn)題，采用以車(chē)代磨的加工方法，通過(guò)粗車(chē)、半精車(chē)、精車(chē)直接車(chē)至圖紙尺寸 要求，且使用YG系列刀具材料。此方法雖然能使加工質(zhì)量相對(duì)滿(mǎn)足零件要求所需，但也存在著諸多不足， 如:刀具使用壽命較短；刀具抗沖擊力較差；加工效率較低等。

筆者以TC4鈦合金軸?20棒料為例，使用高鈷高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8)刃磨刀具，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)， 通過(guò)合理選擇刀具參數(shù)、切削參數(shù)、切削液等一系列具體措施，解決了鈦合金在車(chē)削中過(guò)程中的技術(shù)性難題 ，相比YG系列刀具材料而言，該刀具具有一定的優(yōu)勢(shì)，不僅保證了零件加工質(zhì)量，還提高了生產(chǎn)效率，降 低了生產(chǎn)成本。

1、材料分析

鈦是一種新型稀有金屬，其性能與雜質(zhì)含量有關(guān)，主要雜質(zhì)包括碳、氮、氫、氧等。最純的鈦就是碘化 鈦，其雜質(zhì)含量不超過(guò)0.1％，當(dāng)前工業(yè)所用純鈦，其純度為99.5％，性能如表1所列。純鈦的特征為重量輕 ，強(qiáng)度、硬度高，具有金屬光澤。

TC4鈦合金是一種銀白色的雙相合金，其成分如表2所列。它綜合性能和組織穩(wěn)定性能較好，并具有良好 的韌性、塑性和抗高溫變形能力。通過(guò)熱處理可進(jìn)一步提升其綜合性能，熱處理后其強(qiáng)度可提高50％~100％ ，能在500℃左右繼續(xù)保持良好的機(jī)械性能，也能在-196℃~-253℃低溫下仍有較好的延伸性和韌性。

2、刀具材料及幾何角度的選擇及試驗(yàn)

2.1刀具材料的選擇

鈦合金散熱性差，車(chē)削容易產(chǎn)生局部高溫，高溫對(duì)車(chē)刀刀尖具有軟化效應(yīng)，從而加劇刀尖磨損，使主切 削力瞬時(shí)增加，產(chǎn)生抗力，進(jìn)而導(dǎo)致刀尖崩碎。因此，在刀具選擇上要優(yōu)先考慮導(dǎo)熱性能較好的材料，導(dǎo)熱 性好的材料散熱快，可避免車(chē)削過(guò)程中因局部溫度迅速升高而造成刀具劇烈磨損，從而降低刀具切削性能并 縮短刀具使用壽命。試驗(yàn)表明，在抗沖擊方面，高速鋼優(yōu)于硬質(zhì)合金，但高速鋼紅硬性、耐磨性不如硬質(zhì)合 金。鈦合金在高溫時(shí)化學(xué)活性大，易與空氣中的氧和氮發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生硬脆化合物，使得局部硬度迅速 提高至ＨＲＣ60以上，加速刀具磨損。因此采用高速鋼車(chē)刀車(chē)削鈦合金時(shí)必須在低溫低速下進(jìn)行。鈦與硬質(zhì) 合金ＹＴ、ＹＷ中的元素易親和，親和現(xiàn)象會(huì)加速刀具磨損，使過(guò)渡表面迅速硬化，并最終導(dǎo)致崩刃，無(wú)法 繼續(xù)切削。金剛石、陶瓷、立方氮化硼的刀具雖然也可以對(duì)鈦合金進(jìn)行加工，但其工藝性能相比高速鋼較差 ，且加工成本較高。綜上試驗(yàn)分析，最終實(shí)驗(yàn)選擇了高速鋼，該材料中無(wú)鈦元素，并具有綜合性能較好且成 本較低的特點(diǎn)。

2.2刀具材料及幾何角度的選擇

由于鈦合金對(duì)刀具材料的化學(xué)親和性強(qiáng)，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具很容易產(chǎn) 生粘結(jié)磨損[6-8]。因此在刀具刃磨結(jié)束后，可采用油石打磨，以便提高刀具表面光潔度，有效降低粘結(jié)現(xiàn) 象的產(chǎn)生；或采用高硬度砂輪刃磨刀具(如金剛石)，也可直接提高刀具刃磨質(zhì)量。刀具幾何角度選擇的正確 與否，直接影響零件加工質(zhì)量和刀具的使用壽命。通過(guò)多次車(chē)削試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，確定了最優(yōu)刀具參數(shù)，經(jīng) 過(guò)光學(xué)對(duì)刀儀(見(jiàn)圖1)測(cè)得刀具參數(shù)如表3所列，其參數(shù)變化不得超過(guò)±1°。以表3參數(shù)為依據(jù)，隨著刀具角 度逐漸減小，主切削力會(huì)逐漸增大，這容易引起工件變形；而當(dāng)?shù)毒呓嵌戎饾u增大時(shí)，刀具強(qiáng)度會(huì)隨角度增 大而減小，此時(shí)車(chē)削時(shí)容易產(chǎn)生震動(dòng)，且刀尖磨損速度也會(huì)加快。

3、切削用量及切削液的選擇及試驗(yàn)

3.1切削用量的選擇

車(chē)削鈦合金就是對(duì)鈦合金進(jìn)行粗精車(chē)，在去除大量加工余量的同時(shí)，還需保證其加工精度。切削參數(shù)的 合理選擇影響著零件的加工精度及生產(chǎn)效率，并直接決定著生產(chǎn)成本的高低。因此，在粗精車(chē)時(shí)，首先考慮 的是如何提高刀具使用壽命。影響刀具使用壽命的因素，除刀具材料、工件材料、刀具參數(shù)外，最主要的因 素就是切削用量。車(chē)削試驗(yàn)如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)表明，刀具的磨損主要取決于切削溫度，而影響切削溫度的主要因素是切削速度和背吃刀量，進(jìn)給 量次之。切削參數(shù)如表4所列。實(shí)驗(yàn)表明，一號(hào)刀具的車(chē)削性能優(yōu)于二號(hào)刀具，因此在粗車(chē)時(shí)，建議使用一 號(hào)刀具參數(shù)。其低速車(chē)削時(shí)，在大量澆注冷卻液的情況下，通過(guò)增大背吃刀量或進(jìn)給量，不僅提高了生產(chǎn)效 率，還不會(huì)影響刀具使用壽命。文章以a_p＝4.5ｍｍ、V_c＝19.02r/min、ｆ＝0.18mm/r進(jìn)行了整體零件的 粗加工，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一號(hào)刀具無(wú)任何磨損現(xiàn)象產(chǎn)生，明顯優(yōu)于二號(hào)刀具。但二號(hào)刀具在車(chē)削速度較高時(shí)，尤其 是背吃刀量較大時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。

相同的情況下，二號(hào)刀具的表面加工質(zhì)量明顯優(yōu)于一號(hào)刀具。綜合結(jié)果分析得出，一號(hào)刀具適合TC4鈦 合金的粗加工，二號(hào)刀具適用于精車(chē)，其切削參數(shù)a_ｐ＝0.5mm、V_c＝50.24m/min、ｆ＝0.1mm/r。

3.2切削液的選擇

實(shí)驗(yàn)表明，相比干式和冷風(fēng)切削，油霧冷卻條件下的切屑毛邊高度和間距顯著減小，毛邊頻率提高。

這表明，隨著冷卻潤(rùn)滑條件的改善，刀具與工件擠壓程度逐漸降低，切屑的側(cè)向塑性流動(dòng)減小，毛邊現(xiàn) 象趨于減弱[9]。采用干式切削時(shí)，若切削溫度在200~500℃之間，雖然材料化學(xué)性能相對(duì)比較穩(wěn)定，但對(duì)作 為高速鋼材料的刀具會(huì)產(chǎn)生一定的磨損。因此，該切削模式采用該刀具材料切削時(shí)，溫度控制在200℃以下 ，可作為精加工的一個(gè)選擇。但當(dāng)切削溫度超過(guò)500℃時(shí)，刀具材料很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆 的外皮，加速刀具磨損，甚至使刀具喪失切削能力；若采用水基切削液進(jìn)行車(chē)削，可有效降低切削溫度，但 此方式加工的表面質(zhì)量較差，鐵銷(xiāo)容易粘附在機(jī)床導(dǎo)軌上，對(duì)機(jī)床精度造成破壞；采用風(fēng)冷作為切削冷卻雖 然可有效控制切削溫度的升高，但其缺乏潤(rùn)滑，因而在車(chē)削過(guò)程中，容易產(chǎn)生毛邊，導(dǎo)致鐵銷(xiāo)流速變慢，直 接影響零件表面質(zhì)量。綜上所述，此次試驗(yàn)選擇了油冷卻，油冷卻可解決以上存在的共性問(wèn)題，提高了表面 質(zhì)量，有效提高刀具使用壽命。值得注意的是切削速度、進(jìn)給速度不能過(guò)高，否則也會(huì)發(fā)生因零件表面溫度 過(guò)高而形成的表面燒傷現(xiàn)象。

4、存在的問(wèn)題和解決措施

4.1主要存在問(wèn)題

車(chē)削鈦合金主要存在以下問(wèn)題:①鈦合金化學(xué)性能較活躍，容易在車(chē)削過(guò)程中產(chǎn)生表面硬化；②車(chē)削鈦合金時(shí)，刀具容易磨損；③車(chē)削過(guò)程中容易產(chǎn)生塑性變形，從而影響加工精度；④加工效率相比鋼件而言較低。

4.2解決措施

經(jīng)過(guò)多次車(chē)削試驗(yàn)表明，車(chē)削鈦合金時(shí)，刀具磨損主要集中在后刀面，但有時(shí)在前刀面也容易形成磨損 。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩種:一是切削參數(shù)安排不合理；二是刀具參數(shù)選擇不合理。由于鈦合金材料本身 具備的特性，因此在不影響工藝系統(tǒng)剛性的情況下，盡可能選擇較小的主偏角、副偏角、后角、前角、刃傾 角。

綜合試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)的要點(diǎn)如下。(1)減小刀具參數(shù)，有利于提高加工效率，提高刀具使用壽命，適用粗 加工。(2)減少刀具在車(chē)削過(guò)程中與零件表面的接觸，有利于降低切削溫度，提高散熱能力。(3)隨著刀具參 數(shù)的增大，車(chē)刀刀刃、刀尖變得更加鋒利，使得主切削力減小，工件變形降低，同時(shí)提高了表面加工質(zhì)量， 適用精加工。(4)刃磨刀具時(shí)，適當(dāng)增大斷削槽，可以改變鐵銷(xiāo)流速及形狀，有助于提高表面加工質(zhì)量。(5) 相比ＹＧ系列刀具材料而言，高速鋼在車(chē)削TC4鈦合金時(shí)。更具優(yōu)勢(shì)。(6)采用油冷卻時(shí)，不但能有效降低車(chē) 削溫度，而且提高了鐵銷(xiāo)流速，有助于提高表面加工質(zhì)量并減少工件變形。

5、結(jié)語(yǔ)

文章以TC4鈦合金軸φ20棒料為例展開(kāi)研究，使用高鈷高速鋼(W2Mo9Cr4VCo8)刃磨刀具，通過(guò) 刀具參數(shù)、切削參數(shù)、切削液的合理選擇對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行了多次車(chē)削實(shí)驗(yàn)，并采用數(shù)據(jù)分析等方法得到了 TC4鈦合金材料零件采用高速鋼為材料刀具車(chē)削的相關(guān)依據(jù)，為鈦合金的研究應(yīng)用提供了一定參考。

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