钛合金可切削性的研究及加工刀具设计

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钛合金可切削性的研究及加工刀具设计1.引言
钛及钛合金不仅是制造飞机、导弹、火箭等航天器的重要结构材料，而且在机械工程、海洋工程、生物工程及化学工程中的应用也日益广泛。如在阀门制造中，将不锈钢阀门与钛制阀门同时在酸性介质中使用，钛制阀门具有更好的使用寿命。
在钛中加入合金元素形成钛合金，其强度显著提高,σb可从350～700MPa提高到1200MPa，因此在工业上应用钛合金的意义更具重要性。通常按使用状态下的组织将钛合金分为α钛合金(以TA表示)、β钛合金和(α+β)钛合金(以TC表示)三类，三种钛合金中最常用的是α钛合金和(α+β)钛合金。由于钛合金可切削性极差，因此给实际应用带来很多困难。笔者从钛合金的相对可切削性研究出发，根据多年生产经验提出较实用的刀具，供读者应用时参考。
2.钛合金可切削性的研究
) j( G  t- w1 |( L1 E若以45号钢的可切削性为100%，则钛合金的可切削性约为20～40%，其可切削性比不锈钢差，但比高温合金稍好。在钛合金中又按β型钛合金、α+β型钛合金、α型钛合金为序其可切削性逐步改善，而纯钛的可切削性最好。即在一般情况下，材料硬度愈高，加入合金元素越多，材料的可切削性越差。加工钛合金时，若材料硬度小于HB 300将会出现强烈粘刀现象，而硬度大于HB370时加工又极其困难，因此最好使钛合金材料的硬度在HB300～370之间。
2.1 钛合金切削机理的研究
- f) `  ~4 |) O* ?" F  N( B( }(1)气体杂质的影响
各种气体杂质对于钛合金的可切削性有很大影响，其中最显著的是氧、氢和氮；钛合金的可切削性随着气体在钛合金中的含量增加而恶化。
6 s3 T( x4 e( @, G$ K3 X  ~" V* I" z钛元素的化学活泼性高，具有很强的亲和力，很容易与接触的杂质化合，钛在600℃以上能与大气中的氧起作用，超过650℃时，随温度的提高而作用增强。在表面出现氧化皮的同时，氧还向钛中扩散；在同素异构转变温度(882.5℃)以上，氧在钛中扩散特别强烈，以至形成脆化层，且其脆化层厚度随时间的增加而增大，即产生所谓“组织α化层”。这是钛被氧玷污而引起的额外硬化，钛中含氧量愈多，硬化愈甚。氢在钛中随温度的增加而出现的氧化能力，其扩散极其强烈，并形成间隙固溶体，产生氢脆性。在室温下氮对钛没有影响，高温时氮与钛强烈化合，形成硬而脆的氮化钛(TiN)。
可以看出，在钛合金中，气体杂质氧、氢、氮都可使钛合金脆化，这些杂质还具有磨料性质，在加工钛合金时能加速刀具的磨损；在锻压和冲压后还可形成比原来材料硬度高得多的硬皮和氧化皮。所有这些，在很大程度上恶化了钛及钛合金的可切削性。
% V, X2 y& T5 _(2)材料性能的影响
! P4 u. x: }- Y/ r6 V- I/ T3 b从可切削性的观点出发，钛的各种物理——机械性能是很不利于切削的组合，因为每一种性能的存在都加重了另一种性能所引起的切削困难。
- B+ K: x" S! D' P2 B$ L* V钛合金塑性小，因而极其显著地影响其切削时的塑性变形。如果用切屑的收缩表示被切削层的变形，则钛合金切屑的收缩系数等于1(甚至小于1)，而普通碳钢切屑的收缩系数ψ约等于3，钛合金较小的ψ值使切屑经主切削刃切离后，立即向上翻卷，使切屑与刀具前刀面间仅有一极小的接触面积(约为钢材的1/3)，从而使作用在车刀接触面积上的压力和局部温度增高；由于钛合金有很高的强度极限，故造成接触面积上受到的压力和局部温度更高；再加上钛合金的热导率很低(仅为铁的1/5、铝的1/10，TC8热导率λ=7.955W/mk)，极大地限制了刀尖的冷却条件；此外，高度活泼的金属钛还容易和刀具化合产生焊接和粘剥。由于上述性能的综合，在同样的切削用量下，加工钛合金时刀具单位面积所承受的切削力要比加工一般钢材时大得多，切削温度也高得多，因此使刀具磨损很快，材料的可切削性恶化。
(3)含碳量的影响
) x$ s; A6 n* K钛合金的可切削性与含碳量有关。当含碳量大于0.20%时，合金中会形成硬的碳化物，使可切削性下降；而含碳量小于0.20%时，可切削性得到改善。
- b% b6 E' Y% S. v/ k) v3 T(4)加工硬化的影响
- d- `1 A% P; V加工硬化被认为是钛合金加工困难的原因之一。为了确定它的影响程度，我们进行了试验，结果表明在任何加工情况下，钛的加工硬化程度都远小于不锈钢，也小于其它种类容易硬化的钢。
$ n- V9 R- U2 n4 n0 B- p3 r钛合金严重的硬化是在切削加工中所产生的局部高温使钛很容易吸收大气中的氧和氮形成又硬又脆的外皮而造成的。在正常切削条件下，其硬化深度为0.1～0.15mm，硬化程度为20%～30%。

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2.2 钛合金相对可切削性切削条件的研究
(1)刀具材料
加工钛合金时，不宜使用YT类硬质合金刀片。因为：①YT类硬质合金刀片中含有钛，它会与被加工的钛合金发生亲和作用，粘掉刀尖。②车削钛合金时，车刀与切屑的接触远比加工钢时小得多，作用在车刀接触面积上的单位切削刀较大，由于YT类硬质合金刀片较脆，因此容易崩刃。
一般生产中采用YG类刀片加工钛合金，尽管其耐磨性较差。通常在粗车和断续车削时采用YG8刀片，精车和连续车削时用YG3刀片，一般加工则用YG6X刀片。
' `! b! P+ b" u+ x+ S6 D: {实践证明，含钽的硬质合金YA6(属于细颗粒钨钴类硬质合金)效果较好，由于加入了少量的稀有元素，提高了刀片耐磨性，代替了原有的YG6X，其抗弯强度、硬度也都比YG6X高。
在低速切削或切削复杂型面时，可采用高钒高速钢(W12Cr4V4Mo)和高钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)刀具，它们是加工钛合金最好的刀具材料，但因钴资源少且价格昂贵，因此应尽可能少用，以保护稀有资源并降低成本。
(2)刀具几何角度
切削钛合金时，车刀后角α0是所有刀具参数中最敏感的，因为切削层下的金属弹性恢复大和加工硬度大，一般采用大后角可使刃口易于切入金属层，减小后刀面的磨损，但后角过小(小于15°)会出现金属的粘附现象；而后角过大，刀具将被削弱，刀刃容易崩碎。因此，大多数切削钛合金的车刀采用15°后角。从刀具耐用度来看，α0小于或大于15°，都会降低车刀的耐用度。此外，α0为15°的车刀刀刃比较锋利，并可降低切削温度。
由于钛合金在切削过程中，会与空气中的氧、氢、氮等形成硬脆化合物，造成刀具磨损(主要发生在车刀前刀面上)，因此应采用小值前角；此外，钛合金的塑性低，切屑与前刀面的接触面积小，为此也应选用小值前角，这样做可增加切屑与前刀面的接触面积，使切削热和切削压力不至于过分集中于刃口附近，既有利于散热，又加强刃口，避免因切削力集中而产生崩刃。因此，用硬质合金刀具加工(α+β)钛合金时，取前角γ0=5°左右并磨出倒棱f(宽度为0.05～0.1mm)，γf=0°～10°，刀尖磨成r=0.5mm小值圆弧，刃倾角λ=+3°。
但是研究工作表明，车刀前角在28°～30°范围内时刀具的耐用度最好；刀尖圆弧半径增大也可以减少刀具的崩落现象。
一般车削钛合金外圆车刀的几何参数：倒棱f=0.3～0.7mm，γf=0°，γ0=8°～10°，α0=15°，r=0.5mm，λ=0°，κr=45°，κ′r=15°。
. H/ M2 s+ y* c, K: d(3)切削用量对切削温度的影响
) W# W8 B; k$ u0 k用YG8刀片车削钛合金TA2时，由切削参数的变化与切削温度变化的关系可知，加工时切削温度t随着切削速度v的提高而急剧提高，加大走刀量f也使切削温度t增高，但其影响比提高速度的影响小。切削深度的变化对切削速度的影响较小。
加工时高的切削速度使切削刀具剧烈地磨损，并且使钛合金具有从周围大气中吸收氧和氢的能力，产生所谓“组织的α化”，并使加工表面强化。
; }; t/ {; Z4 P; {. R# Z( E通常在选用切削速度和走刀量时，保持切削温度在800℃左右，即当走刀量f=0.11～0.35mm/r时，取切削速度v=40～60m/min。
$ X$ b' O2 `6 i1 {# I(4)切削用量对表面粗糙度的影响
: y7 s9 t0 H1 v( _7 ?1 w& p由于钛合金对应力集中很敏感，在有刮伤或凹痕时会严重地降低它的疲劳强度，因此钛合金零件表面质量的加工要求很高。
. L) H+ s3 V8 ^' A" ^# I) j- G2 ?走刀量对于表面质量影响很大。由加工钛合金TC6时(速度v=40m/min，切削深度ap=1mm，后刀面磨损h后≤0.1mm)走刀量与已加工表面表面粗糙度的关系可知，为了要获得表面粗糙度Ra1.6μm，必须选择走刀量f=0.16mm/r；如果加工时分别采用走刀量f=0.25mm/r、0.35mm/r和0.45mm/r，则相应获得的加工表面粗糙度为Ra3.2μm、Ra6.3μm和Ra12.5μm。
切削钛合金时，表面粗糙度与切削速度无关，切削深度的影响也很小，表面质量在同一表面粗糙度内变化。
精加工钛合金时，为了得到Ra1.6μm的表面粗糙度，应采用YG类硬质合金刀片，研磨车刀的工作表面，取车刀几何参数为：γf=0°，γ0=10°，α0=15°，r=0.5mm；选择切削用量为：v=50～70mm/min，f=0.1～0.2mm/r，ap=0.3～1.0mm；刀具后面磨损h后≤0.3mm。
通过加大刀尖圆弧半径r，减小走刀量f，降低刀具磨损h后0.15mm，连续车削钛合金，可获得Ra=1.25～0.8μm的表面粗糙度。

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3.钛合金的切削加工及刀具设计
* j6 q6 t8 n$ a9 l3.1 车削加工
5 Z# p" z; G1 C/ X" `3 c+ U钛合金的弹性模数小，如TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的一半，因而由切削力所引起的被加工件弹性变形大，将降低工件精度，为此要改善加工系统的刚性。工件必须很牢固地装夹，刀具对工件支承点的刀矩减到最小。刀具必须锋利，否则将发生振动、磨擦，使刀具耐用度缩短，工件精度下降。
. r4 G2 p* {. L. l切削钛合金时，仅在切削速度1～5mm/min的范围内，才有积屑瘤形成。因此在一般生产条件下切削钛合金时，不会产生积屑瘤。工件与刀具之间的磨擦系数并不很大，容易得到良好的表面质量。采用冷却润滑液对于改善钛合金表面微观几何形状是没有效果的，切削钛合金时已加工表面粗糙度较低是由于刀具上没有积屑瘤的缘故。
但是，为了改善切削条件，降低切削温度，提高刀具寿命，同时为了消除火灾的危险，加工时使用大量可溶性冷却剂也是必要的。
& ]" J2 I/ b7 Y; k1 z通常钛合金零件加工时没有发火燃烧的现象，可是在微切削状态下加工时有发火燃烧现象，为了避免这种危险性，应该：①大量使用冷却液；②及时从机床上扫除切屑；③备有灭火器材；④及时更换用钝的刀具；⑤工件表面污染时易引起火花，此时必须降低切削速度；⑥比薄切屑相比，厚切屑不易产生火花，因此要加大走刀量，加大走刀量不会象加大切削速度那样使温度迅速升高。
' w; M. o! X+ l( k加工钛合金切削用量的选用准则：应从降低切削温度的观点出发，采用较低的切削速度和较大的走刀量。由于高的切削温度使钛合金从大气中吸收氧和氢造成工件表面硬脆，使刀具剧烈磨损，因此在加工过程中，须使刀尖温度保持在合适的温度，避免温度过高。
  Q8 w. j8 S( N3 t! h6 k1 `在断续切削的条件下用YG8车刀车削带硬皮的钛合金工件时，推荐的切削用量为：v=15～28m/min，f=0.25～0.35mm/r，ap=1～3mm。
8 f+ [6 h7 |. j  \; d3 d4 U1 L2 e在连续切削的条件下用YG3车刀精车钛合金工件时，推荐的切削用量为：v=50～70m/min，f=0.1～0.2mm/r，ap=0.3～1mm。表2为车削加工钛合金时可供选用的切削用量。
表2.车削钛合金时的切削用量
9 D) k! c2 w8 u5 Q5 f1 \1 F工序性质－钛合金材料－硬度－切削余量(mm)－切削速度(mm/min)－走刀量(mm/r)
+ |% m, M' s+ u' k/ N- {荒车－TA1～7，TC1～2－软－＞氧化皮厚度－18～36－0.1～0.25
荒车－TA8，TC3～8－中－＞氧化皮厚度－12～27－0.08～0.15
( e. ]. p. @& ]5 o; e/ l: t荒车－TC9～10，TB1～2－硬－＞氧化皮厚度－7.2～18－0.06～0.12
5 G7 Y& @6 L: A, b2 I& l粗车－TA1～7，TC1～2－软－＞2－30～54－0.2～0.4
粗车－TA8，TC3～8－中－＞2－24～54－0.15～0.3
# k+ z3 v2 R* w% Y2 K4 }粗车－TC9～10，TB1～2－硬－＞2－15～30－0.1～0.2
精车－TA1～7，TC1～2－软－0.07～0.75－37.5～60－0.07～0.15
8 Z! ~( B8 B6 c) M. r: H: W3 e精车－TA8，TC3～8－中－0.07～0.75－30～48－0.07～0.12
精车－TC9～10，TB1～2－硬－0.07～0.75－18～36－0.05～0.12
用YG6X车刀车削TC4(硬度为HB320～360)，ap=1mm、f=0.1mm/r时的最佳切削速度为60mm/min。在此基础上不同走刀量和切削深度下的切削速度见表3。
4 s( I/ U1 w! r, I3 x表3.车削钛合金TC4的切削速度
ap－1mm－2mm－3mm
F(mm/r)－0.1,0.15,0.2,0.3－0.1,0.15,0.2,0.3－0.1,0.2,0.3
V(mm/min)－60,52,43,36－49,40,34,28－44,30,26
% a1 N8 L% m0 K加工钛合金的典型车刀具有如下特点：①刀片材料为YG6X，YG10HT；②前角较小，一般γ0=4°～6°，增强刀头强度；③有f=0.05～0.1mm的负倒棱，以增强刀刃的强度；④后角较大，一般α0=14°～16°，以减少后面的磨擦，提高刀具耐用度；⑤一般不允许磨出尖角或过渡刃，而磨出刀尖圆角r=0.5mm左右，粗车时可达r=1～2mm，以增强刀尖强度；⑥精车或车削薄壁件时，刀具主偏角要大，一般为75°～90°。
" [; \! F) f  t切削用量：
, v% _# J. |- }$ o3 W粗车：v=40～50m/min，f=0.2～0.3mm/r，ap=3～5mm。
半精车：v=40～45m/min，f=0.2～0.3mm/r，ap=1～2mm。
: r* a6 S0 L8 |1 t4 A1 s精车：v=50～55m/min，f=0.1～0.15mm/r，ap=0.2～0.5mm。
使用乳化液冷却，可有效地提高刀具耐用度。在保证刀头强度的前提下使刀头具有高的耐磨性和硬度是合理加工钛合金的关健。因此选用的YG6X刀片在刃磨后应当用金刚石或碳化硅油石背刀(背出倒棱)，达到消除刃磨锯口、增强刀刃强度的目的。
# d9 H/ M  X3 u# G: a5 q粗车不规则黑皮工件时，一般将刀片磨出3°～+5°刃倾角；精车时，一般无刃倾角，此时的刀具磨损主要为前刀面粘附(粘结)磨损。
这种典型车刀能较合理地解决加工钛合金时材料活性随温度升高而增加及导热性差的问题，因而刀具耐用度大为提高。
3.2 钻削
钛合金的钻削加工比较困难，常在加工过程中出现烧刀和断钻现象，其主要原因是钻头刃磨不良、排屑不及时、冷却不佳以及工艺系统刚性差等。
(1)钻头的选择：直径大于5mm的钻头，最好选用硬质合金YG8作为刀具材料；加工小于5mm的孔时，可用硬度大于63HRC的高速钢钻头(如M42或B201)；当孔深小于直径两倍时，采用斜槽(短型)的钻头；当孔深大于直径两倍时，采用麻花钻头。钻头的几何参数：λ=0°～3°，αc=13°～15°，2φ=120°～130°。
8 G  F( s* _  r( d# {  s为了易于形成切屑、减少磨擦并改善钻头的切削能力，可根据钻头直径减少导向刃带的宽度至0.1～0.3mm，修磨横刃到0.1D，并双重刃磨顶角2φ=130°～140°，2φ=70°～80°。表4列出了双重锋角式钻头的几何参数。
0 O' B! T2 b3 [  C8 C; W& j表4.双重锋角式钻头几何参数
钻头直径(mm)－顶角2φ－第二顶角2φ0－第二锋刃后角α－b(mm)－c(mm)
; o, H; b- c$ v2 G) p, g. J" P>3～6－130°～140°－80°～140°－12°～18°－～1.5－0.4～0.8
>6～10－130°～140°－80°～140°－12°～18°－1.5～2.5－0.6～1
' S. P, Y5 l( d+ L5 L5 H# G( L>10～18－125°～140°－80°～140°－12°～18°－2.5～4－0.8～1
>18～30－125°～140°－80°～140°－12°～18°－4～6－1～1.5
(2)切削用量
硬质合金钻头：v=9～15m/min，f=0.05～0.2mm/r；高速钢钻头v=4～5m/min，f=0.05～0.3mm/r。
- T/ u$ m$ Z4 P( Z, ~(3)钻削深孔或小直径孔时，可采取手动进给。钻孔时必须周期性地从孔中退出钻头，以便清除切屑。为了避免钻头强烈磨损，不能让钻头停留在孔中不进不退，否则钻刃会摩擦加工表面，造成加工硬化，使钻头变钝。钻孔时必须充沛地供给冷却润滑液。一般用豆油，必要时可加法国OLTIP钻孔攻丝专用油。尽可能提高工艺系统刚性，将钻模固定在工作台上，钻模宜贴近加工表面，尽量使钻头缩短。
取钻头后面转角处的磨损h后=0.4～0.5mm作为钻头磨钝标准。
(4)钻削实例：用钼高速钢钻头在α+β型TC4钛合金工件上进行钻削加工，钻头直径D=6.35mm，孔深H=12.7mm。选切削参数v=11.6m/min、f=0.127mm/r，使用乳化液冷却。刀具耐用度T以磨损宽度h后=0.38mm为标准，每根钻头可钻260个孔，效果极佳。(有空将上述三个帖合并成一个PDF文件，方便下载)