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浅谈钛合金切削加工技术

发表时间：2021/4/14 来源：《中国科技信息》2021年4月作者：罗兵，蒋斌林，姚盼盼，赵宇坤，郑舰

[导读] 钛合金具有密度低、比强度高、抗腐性能优良，高、低温力学性能好等优点，目前已广泛应用于航空、航天、舰船等军事领域及民用各领域。钛合金属难切削加工材料，本文简单分析了钛合金切削加工特点，从加工设备、刀具选择、切削方式、排屑、切屑液选择等方面探讨钛合金切削加工技术，为钛合金切削加工技术研究和工程化应用提供参考。

江西南昌中航工业洪都660所罗兵，蒋斌林，姚盼盼，赵宇坤，郑舰 330024

摘要：钛合金具有密度低、比强度高、抗腐性能优良，高、低温力学性能好等优点，目前已广泛应用于航空、航天、舰船等军事领域及民用各领域。钛合金属难切削加工材料，本文简单分析了钛合金切削加工特点，从加工设备、刀具选择、切削方式、排屑、切屑液选择等方面探讨钛合金切削加工技术，为钛合金切削加工技术研究和工程化应用提供参考。
关键词：钛合金；切削加工
        1引言
        钛合金是上世纪中旬发展起来的一种重要的结构金属材料，该材料是一种性能优良的金属材料，如具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性，高、低温力学性能好，抗蠕变性好等优点。目前，钛合金已广泛应用于航空、航天、核能、舰船、兵器等军事领域及生物医药等民用领域中[1]。钛合金的使用可有效提高航空航天器等设备耐蚀性及耐高温能，同时可有效延长寿命[2]。
        然而，钛合金又是典型的难加工材料，切削效率低，且钛合金原材料较贵，切削加工生产中对加工设备等有特殊的条件和环境，进而限制了钛合金的推广与应用。钛合金属难切削加工材料，本文简单分析了钛合金切削加工特点，从加工设备、刀具选择、切削方式、排屑、切屑液选择等方面探讨钛合金切削加工技术，为钛合金切削加工技术研究和工程化应用提供参考。
        2 钛合金的类型及加工特点
        由于钛合金强度高、韧性强、导热系数低等，属于典型的难切屑加工材料，其切屑加工特点主要表现在以下几个方面：
        （1）钛合金强度高、硬度大，对切削加工设备及刀具选择有特殊要求，如要求加工设备的功率大、刀具材料应选择强度和硬度较高的；
        （2）钛合金摩擦系数大、导热系数低，切削加工过程中，切削热不易散发，导致切削区域温度高，加快了切削刀具的磨损同时使加工效率和加工质量降低；
        （3）钛合金弹性模量小，切削加工过程中在切削力的作用下零件易产生变形，同时已加工的表面回弹较大，挤压刀具后刀面加剧磨损；再者，由于存在加工变形导致加工后的零件不满足设计指标要求；
        （4）钛合金化学活性大，容易与空气中的H、O、CO2等气体发生化学反应，表面易生成硬度较高的硬化层，增大了零件的切削加工难度，进一步加剧了刀具的磨损；
        （5）钛合金切削加工过程中，刀具表面很容易与零件材料产生粘结现象，再者切削温度很高，刀具极易产生扩散磨损及粘接磨损。
        虽然钛合金存在较多优异性能，但钛合金自身的加工特点使得其切削加工存在较多难点。钛合金属于难切削加工材料，对加工设备及刀具的选择要求也需提高，这不仅降低了钛合金结构件的加工效率，同时增加了加工成本。因此，有必要对钛合金结构件的切削加工技术进行探讨研究。
        3钛合金切削加工技术
        数控加工技术从加工设备及刀具的选择、切削形式、工艺方案等整个工艺系统出发，关注零件的整个加工过程，以提高工件的加工效率及降低生产成本为目标。针对目前国内钛合金切削加工的现状，对于提高钛合金结构件的加工效率是各个行业尤其是航空、航天等领域技术发展的必然要求。
        要提高钛合金零件的切削加工效率，可以通过合理选择加工设备及切削刀具、合理安排工艺方案、合理选择冷却液等。
        3.1加工设备及刀具的选择
        由于钛合金比强度大，为保证切削加工过程中平稳、提高钛合金切削率，加工设备应选择具有高刚度、高动态响应功能的，同时应具有大功率和高扭矩的主轴，且冷却系统较好。
        刀具的选择主要考虑耐磨性及韧性，以便提高钛合金零件切削加工效率的同时可有效延长刀具的使用寿命。刀具应选择合理的刀具几何参数和形状，加工过程中通过调整刀具前角，不仅可以使刀具锋利、减小切削力及切削热，还可以减小刀具的磨损，同时可提高零件的切削加工精度。合理的选择刀具后角，同样对钛合金的切削加工有利，合适的后角能够减小刀具和工件之间的摩擦。钛合金加工过程中，对于刀具前角、后角的选择如表2。

        3.2 铣削方式的选择
        由于顺铣时，刀具刃从最大切削厚度进入零件材料，刀具退出时切屑逐渐变薄，有助于将加工产生的热量散发到切屑，可有效降低切削热。同时，零件加工过程中产生的硬化情况也会被降低，切削力倾向于将零件推向夹具，更有利于零件的铣削加工。因此大多数情况下，钛合金零件的加工方式建议采用顺铣加工方式。
        3.3 切削用量的选择
        钛合金切削过程中容易在切削区域产生、积聚切削热量，又由于钛合金导热系数低、导热性差，在大切除量的切削过程中，刀具磨损较快并存在引起燃烧的危险，制约钛合金零件切削速度的提高。通过合理的选择切削量，提高零件切削率，从而充分发挥加工设备的切削性能，以便提高钛合金零件的切削加工效率。
        3.4进退刀的选择
        钛合金结构件切削加工过程中，刀具的每次进退均存在较大的冲击载荷，刀具瞬间受到猛烈冲击，经常出现崩刃，因此刀具进退刀必须选择合适的轨迹和切削参数。直线进刀时，在拐点位置换向，刀具受力方向突变，及容易产生震颤，严重时将导致刀具损坏或切伤零件；而圆弧进刀刀路过渡顺滑且切离时切屑厚度很小，可以减小受力突变引起的对刀具的冲击，减小刀具振动并提高刀具寿命。因此，钛合金零件在切削加工时建议采用圆弧进退刀方式。
        3.5排屑及冷却
        钛合金零件加工过程中产生的热量较大，由于钛合金散热较差，70%左右的切削热集中在刀刃上，另外对立式机床来说，本身排屑性能差，在加工槽腔等特征时，切屑参与二次切削，对刀具磨损很大，所以必须有充足的冷却液将切屑冲走，同时有效降低刀具温度，因此建议使用卧式机床或者内冷刀具。粗加工时，切屑较长，由于主轴转速低，切屑极易缠绕在刀具上，为消除这种影响，建议使用波形刃高速钢铣刀或带断屑槽的焊接铣刀。
        3.6冷却液的选择
        由于钛合金的导热系数小，切削时产生的热不易传出，主要集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，使该区域的切削温度较高。因此合理的采用冷却液，对钛合金零件的加工起着关键性的作用。冷却润滑条件越好，加工表面光洁度就越好。冷却条件越差，冷作硬化层深度和冷作硬化程度越大。不能采用对钛合金有污染的含氯切削液，并保持切削液的充分供给。通常，切削液宜用水溶性切削液。由于喷雾冷却为冷却液创造了容易汽化的条件，从而吸收大量热量，而且喷雾力将切屑从刀具与工件的接触处迅速冲走，因此，切削液采用喷雾方式要比浇注方式的冷却效果好。这样可以减少切屑熔结程度，不仅能够延长刀具的使用寿命，而且能够有效提高零件的表面加工光洁度。
        4结论
        钛合金的应用已越来越广泛，尤其在航空、航天等军事领域中。近几年，国内钛合金切削加工技术也取得了一定的进步，但与国外还存在一定的差距。随着现代航空、航天技术的不断发展，航空航天领域对钛合金结构件的使用比例越来越高。钛合金的高效切削加工一直是数控加工技术内的研究热点，如何实现钛合金加工效率的提高，有效降低切削加工成本必将成为研究的重点。通过合理选择加工设备、切削刀具、切削用量等参数，均能有效提高钛合金零件的切削加工，但如需实现钛合金高效率加工的最大程度，仍需不断深入探讨及研究。
参考文献
[1]姚卓，赵成志，谢月，杜青. 级配改善钛合金精密铸造型壳质量[J]. 金属铸锻焊技术， 2011， 40(5): 64-67.
[2]李宝成，党水利. 钛及钛合金铸造工业的现状与展望[J]. 钛工业进展，1999，4: 15-18.