鈦合金材料高效切削工藝性能研究

岳鋒 杜劭峰 張建強 王卓 張巨寶 齊學(xué)會 滿達(dá)

（內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭，014032）

0 引言

鈦合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能和物理性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、軍工和醫(yī)療器械和其它民用領(lǐng)域，如鈦合金TC4（化學(xué)成分Ti-6Al-4V），在陸軍裝備高機動性、耐高溫、輕量化制造方面得到推廣應(yīng)用。因此，通過對鈦合金材料的機理研究和加工試驗，制定高效切削工藝方案，解決其切削難度大、數(shù)控加工效率低的問題。

1 鈦合金材料特性

鈦合金不僅具有重量輕、強度高、熱穩(wěn)定性、無磁性的優(yōu)良性能，而且在酸、堿、海水和大氣等介質(zhì)中耐腐蝕等顯著特性。

1）比強度高（σb/ρ）。鈦合金密度為4.52g/cm3，約為鋼的57%。其機械強度卻與鋼相當(dāng)，具有高強度，通?？估瓘姸葹椋?86-1176）MPa。其中TC4抗拉強度Rm約為1262 MPa。

2）硬度較高。鈦合金（退火態(tài)M）的硬度可達(dá)（32～39）HRC，其硬度對切削加工影響較大。

3）高溫和低溫性能優(yōu)良。在高溫下，鈦合金能保持良好的機械性能，其耐熱性高于鋁合金，在（300～500）℃溫度下的強度比鋁合金約高10倍，新型耐熱鈦合金可在（550～600）℃下長期服役；在低溫和超低溫（-100～-253）℃條件下，仍能保持其力學(xué)性能，又是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料[1]。

4）抗腐蝕性強。鈦在550℃以下的空氣中，表面會迅速形成薄而致密的氧化鈦膜，故在大氣、海水、硝酸等氧化性介質(zhì)及強堿中，鈦合金耐蝕性優(yōu)于多數(shù)不銹鋼。

5）化學(xué)活性大。鈦與大氣中的O、N、CO2、水蒸氣和氮氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)含碳量大于0.2%時，在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC。溫度較高時，與N作用，也會形成TiN硬質(zhì)表層。在600℃以上時，鈦能吸收氧形成硬度較高的硬化層。鈦合金吸收氣體而產(chǎn)生硬脆表層的深度可達(dá)（0.1～0.15）mm，硬化程度比原來基體硬度高（20～30）%。鈦合金的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生“粘刀”。

6）熱導(dǎo)率很低。鈦的熱導(dǎo)率為15.24W/m·K，是鐵的1/5，鋁的1/4。而各種鈦合金的熱導(dǎo)率更低，一般為鈦的50%。TC4的k為7.95 W/m·K。刀具刃口處切削熱不易傳出，刀刃磨損加劇。

7）彈性模量小。鈦合金（退火態(tài)M）的彈性模量E為110GPa，約為一般鋼材的1/2，切削時徑向力易使工件產(chǎn)生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損，也對零件精度造成影響。

2 鈦合金的切削特點

鈦合金加入高強度、高硬度合金元素，添加元素愈多，愈難于切削加工。鈦合金的最適宜的切削加工硬度范圍為（32～38）HRC[2]，在硬度高于38HRC時，刀具磨損嚴(yán)重，切削加工困難；低于32HRC時，易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也不易切削。鈦合金材料難于切削加工，除了與硬度有關(guān)，還因其具有熱導(dǎo)率系數(shù)小、化學(xué)活性大和彈性模量小等特性，導(dǎo)致其切削加工性能極其惡劣。

2.1 變形系數(shù)小

切削鈦合金的切屑變形系數(shù)略小于1或接近于1。其塑性變形小和切屑收縮率小，高溫切削時，鈦由α相向β相轉(zhuǎn)變，而β相鈦的體積增大，引起切屑在前刀面滑動摩擦路徑增長。在高溫作用下，同時鈦屑吸收空氣中的O、H和N，塑性降低，切屑不再收縮，從而加速刀具磨損。

2.2 切削溫度高

鈦合金由于熱導(dǎo)率低，切削熱傳出困難，致使切削區(qū)溫度增高。在相同的切削條件下，其切削溫度比45鋼高將近1倍。還因其塑性變形小，切屑與前刀面接觸短，切削熱集中于切削刃狹小區(qū)域內(nèi)不易傳出，造成刀具升溫，刀刃磨損加快[3]。

圖1 刀片磨損顯微成像

圖2 刀具磨損形貌

2.3 易形成硬脆表層

鈦合金的化學(xué)活性大，在高溫切削時，鈦吸收N、O等氣體而產(chǎn)生硬脆表層。在切削過程中，產(chǎn)生切屑經(jīng)過刀具前刀面，并與前刀面緊密接觸而形成粘結(jié)層(a)；在切削過程中，在主切削刃附近會形成平行于切削刃的一系列的月牙洼；嚴(yán)重時，距主切削刃一定距離內(nèi)的刀具材料被剝離，形成凹坑(b)；因切削力的波動，導(dǎo)致刀具的刀尖部分發(fā)生微崩刃現(xiàn)象（c）[4]。如圖1所示。

2.4 切削力大

切削鈦合金的主切削力比切削一般鋼材小20%左右[5]。鈦合金在切削過程中通常形成鋸齒狀切屑，可引起切削力隨時間的周期性波動。由于刀具與切屑的接觸的長度極短，使單位面積上的切削力卻增加，容易造成刀具崩刃或局部崩刃。

2.5 刀具易磨損

鈦合金毛坯經(jīng)過鍛造、熱軋等方法加工后，形成硬而脆的不均勻外皮，切除硬皮是加工鈦合金的一大難點，極易造成刀具磨損。用硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金，對刀刃的磨損形貌主要有三種：粘結(jié)層(a)、月牙洼(b)和微崩刃(c)。如圖2所示。

3 切削用量對切削力的影響

合理選擇切削用量，是攻克鈦合金高效切削加工必備條件之一。鈦合金TC4是當(dāng)前使用廣泛的鈦合金之一，約占75%～85%。以TC4鍛件為研究對象，選擇硬質(zhì)合金刀具并在數(shù)控車床上進行實驗，車削過程中的切削力采用壓電式測力儀測量。

3.1 切削速度

在進給量0.12mm/r、切深1.0mm條件下，切削TC4鍛件，得出進給抗力Fx隨著切削速度的增加而逐漸增加；切深抗力Fy和主切削力Fz隨著切削速度的增加先降低后增加[6]，但波動變化相對較弱。如圖3所示。

3.2 進給量

在切削速度50 m/min和切削深度1.0 mm條件下，當(dāng)進給量小于0.13 mm/r時，主切削力Fz隨著進給量的增加而增加；進給量為0.097 mm/r時，進給抗力Fx明顯減小；進給量為0.084 mm/r時，切深抗力Fy也明顯減小。當(dāng)進給量從0.13 mm/r開始增加時，切削力的波動量減弱；由于高切削溫度引起的工件材料的軟化，導(dǎo)致進給抗力和切深抗力的降低，進給抗力變化尤為明顯。因此，切削TC4鍛件切削力隨著進給量的變化趨勢[6]，如圖4所示。

圖4 切削力隨進給量變化

圖5 切削力隨切削深度變化

3.3 切削深度

在切削速度50 m/min和進給量0.12 mm/r條件下，在小切削深度下，刀尖圓弧不能夠完全參與到切削過程中，當(dāng)切削深度小于0.8 mm時，出現(xiàn)切削力的急劇增加。當(dāng)切削深度在（0.8～1.0） mm時，由于較高的切削溫度提高了工件材料的高溫軟化率，導(dǎo)致切削力明顯的降低。在切削深度超過1.0mm時，三個方向的切削力隨切深增加而增加。當(dāng)切深繼續(xù)增加時，主切削刃長度隨之增加，切削熱的散熱面積也相應(yīng)增大，切削溫度隨切削深度增加變化不大，刀具前刀面的積屑瘤對切削力影響也不明顯。因此切削TC4鍛件時切削力隨著切削深度的變化趨勢[6]，如圖5所示。

總之，切削鈦合金材料時，隨著切削速度、進給量和切削深度的增加，單位時間的切削量和刀具表面粘結(jié)鈦合金材料等條件會發(fā)生改變，最終將引起切削鈦合金的切削力隨著切削參數(shù)的變化而發(fā)生改變。因此，根據(jù)切削力的變化，合理選擇切削用量，從而提升對鈦合金的數(shù)控高效切削。

表1 數(shù)控車削的切削用量

4 數(shù)控切削參數(shù)的選擇

選擇硬質(zhì)合金刀具（山高 刀具材質(zhì) F40M），在剛性好、精度較高的數(shù)控機床上，對鈦合金TC4鍛件分別進行車、鉆、銑等機加試驗，得到切削鈦合金的參數(shù)范圍為：切削速度Vc=（25～75）m/min，進給量f≤0.3mm/r，切削深度≤1.0mm。具體如何合理選擇切削用量，參見表1、表2和表3。

5 數(shù)控加工鈦合金刀具選用

鈦合金按其退火組織可分為三類：α相、β相和α+β相。α鈦合金的切削性能相對較好，α+β鈦合金次之，β鈦合金最差。由于TC4材料力學(xué)性能優(yōu)良，工藝性能較成熟，故針對TC4進行研究，探索適合切削鈦合金的刀具材質(zhì)和刀具幾何參數(shù)等工藝系統(tǒng)，實現(xiàn)對鈦合金的高效數(shù)控切削。

5.1 切削鈦合金的刀具材質(zhì)

切削加工鈦合金時，應(yīng)選用硬度高、耐磨性好、抗彎強度高、熱導(dǎo)率高和與鈦合金親和作用小的刀具材質(zhì)。通過試驗，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金是當(dāng)前比較適合加工鈦合金的刀具材質(zhì)，性價比高。應(yīng)選擇添加TaC或Nb C的YG類細(xì)晶?；虺?xì)晶粒硬質(zhì)合金，牌號有YS2T、YG813、 YG6X等。涂層選擇TiAlN、TiAlSi和TiAlN+CrC涂層及金剛石涂層[7]。如圖6所示。

5.2 切削鈦合金刀具的幾何參數(shù)

一般選前角r0=5°～15°，后角α0≥15°，主、副偏角、刀尖半徑等的選用，要根據(jù)粗、精加工條件，以及數(shù)控加工時工件表面粗糙度Ra的要求等進行選擇。具體見表4。

6 切削鈦合金的切削液

試驗得出，在加冷卻液潤滑、濕切的條件下，可提高刀具耐用度和加工效率。為了降低切削溫度，應(yīng)在切削區(qū)澆注大量以冷卻為主的切削液。對切削液的熱導(dǎo)率、比熱、熱容量、汽化熱、汽化速度、流量和流速要求較高。一般是水比油的熱導(dǎo)率高3～5倍，比熱大1倍，汽化熱大約10倍，故水溶性和冷卻性能較好。在數(shù)控車削、銑削和鉆削時，常采用乳化液或采用添加極壓添加劑（含S、P和Cl）水溶液[8]。極壓水溶液的配方是：氯化脂肪酸、聚氯乙烯0.5%～0.8%，磷酸三鈉0.5%，三乙醇胺1%～2%，亞硝酸鈉1.2%，其余為水。

表2 數(shù)控鉆削的切削用量

表3 數(shù)控銑削的切削用量

圖6 TiAlN涂層金相圖

7 數(shù)控加工鈦合金注意事項

1）在所有數(shù)控加工過程中，尤其粗加工，在條件允許時加切削液，有助于刀具降溫、潤滑及吹屑，盡量避免干切削。

2）用端銑刀銑削平面時，數(shù)控加工優(yōu)先選擇順銑(a)和不對稱銑(b)，不對稱銑的偏心距ae=(0.04～0.1)d(d為刀具直徑)。對個別普通機床絲杠螺母間隙大，鑲條松，不利于順銑時，可以采用逆銑（c）方式加工，但適當(dāng)調(diào)整切削參數(shù)。如圖7所示。

3）數(shù)控加工時，進給量對工件加工表面粗糙度影響最大，其次是切削深度，最次是切削速度。工件表面粗糙度隨進給量增加而增加，隨著切削速度和切削深度的增加均減少[9]。

4）切削鈦合金材料，減小徑向力使工件產(chǎn)生的彎曲變形，降低振動，保證零件精度，應(yīng)選擇剛性好的設(shè)備和刀具等工藝系統(tǒng)；同時盡量減小對工件的夾緊力，使夾緊確保工件的相對位置即可。

8 結(jié)語

鈦合金材料在軍用裝備領(lǐng)域應(yīng)用愈來愈廣。針對其較難切削加工的機理特點，根據(jù)工件形狀等技術(shù)要求，在優(yōu)先選擇數(shù)控加工機床和工件裝夾等工藝系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過合理選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削液及切削用量等手段，并采用試切的方式，實現(xiàn)對鈦合金材料的高效加工。

表4 硬質(zhì)合金刀具的幾何參數(shù)

圖7 端面銑削方式