钛合金的切削加工

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1．钛合金可分为哪几类?
7 `& @( q, B1 n: d   钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：
3 F8 s2 }8 f. ^: s+ a7 h4 B5 |    (1) α钛合金：它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。
    (2) β钛合金：它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。
) x: R9 }) c6 m6 k, a0 Y7 O& _    (3) α+β钛合金：它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。
    三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+p钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。

    2．钛合金有哪些性能和用途？
    钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1800℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。
    (1)比强度高：钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，见表7-1，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
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    (2)热强度高：对于α钛合金，在350℃时TA6的巩达422MPa、TA7的σb达491MPa，在500℃时TA8的σb达687MPa；对于α+β钛合金，在400℃时TC4的σb达618MPa、TC10的σb达834 MPa，在450℃时TC6和TC7的σb均达589MPa、TC8的σb达706MPa，在500℃时TC9的σb达785MPa。这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。
" V; k' \. Z0 |( [    (3)抗蚀性好：钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
    (4)低温性能好：钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。在-100℃和-196℃时TA4的σb分别为893MPa和1207MPa，在-196℃和-253℃时TA7的σb分别为1216MPa和1543MPa、TC1的σb分别为1133MPa和1354MPa、TC4的σb分别为1511MPa和1785MPa。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。
. T3 c7 i* u/ Z1 u! Y    (5)化学活性大：钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15 mm，硬化程度为20％～30％。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。
    (6)导热系数小、弹性模量小：钛的导热系数λ=15.24W／(m.K)，约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。
- }, @& W+ x- ]% T& h    钛合金的牌号、性能见表7-2。

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   3．钛合金有哪些切削特点？
# m: N, M$ p/ [/ _- `: X    钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特点：
9 j% K+ w. z$ ^, I- H: P    (1)变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点，变形系数小于或接近于1。切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速刀具磨损。
4 q4 L  n2 M& u% L    (2)切削温度高：由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/5～1/7)，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。
    (3)单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小20％，由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。
& Z7 F7 b7 z7 Y2 ]3 m) v# Q(4)冷硬现象严重：由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损，是切削钛合金时的一个很重要特点。
8 U. @7 G5 w& G4 S: [    (5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损。车削钛合金时，有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重；进给量f<0.1 mm/r时，磨损主要发生在后刀面上；当f>0.2 mm/r时，前刀面将出现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时，后刀面的磨损以VBmax<0.4 mm较合适。

4．切削钛合金时怎样选择刀具材料？
    切削加工钛合金应从降低切削温度和减少粘结两方面出发，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，YG类硬质合金比较合适。由于高速钢的耐热性差，因此应尽量采用硬质合金制作的刀具。常用的硬质合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。
" ]/ Y+ r& {9 ^& H" \    涂层刀片和YT类硬质合金会与钛合金产生剧烈的亲和作用，加剧刀具的粘结磨损，不宜用来切削钛合金；对于复杂、多刃刀具，可选用高钒高速钢(如W12Cr4V4Mo)、高钴高速钢(如W2Mo9Cr4VCo8)或铝高速钢(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料，适于制作切削钛合金的钻头、铰刀、立铣刀、拉刀、丝锥等刀具。
采用金刚石和立方氮化硼作刀具切削钛合金，可取得显著效果。如用天然金刚石刀具在乳化液冷却的条件下，切削速度可达200 m/min；若不用切削液，在同等磨损量时，允许的切削速度仅为100m/min。
    5．切削钛合金时怎样选择刀具几何参数？
    (1)前角γ0：钛合金切屑与前刀面的接触长度短，前角较小时既可增加刀屑的接触面积，使切削热和切削力不至于过分集中在切削刃附近，改善散热条件，又能加强切削刃，减小崩损的可能性。一般取γ0=5°～15°。
    (2)后角α0：钛合金已加工表面弹性恢复大、冷硬现象严重，采用大后角可减小对后刀面造成的摩擦、粘附、粘结、撕裂等现象，以减小后刀面的磨损。各种切削钛合金刀具的后角基本上都大于等于15°。
    (3)主偏角κr和副偏角κ&acute;r：切削钛合金时切削温度高、弹性变形倾向大，在工艺系统刚性允许的条件下，应尽量减小主偏角，以增加切削部分的散热面积和减小切削刃单位长度上的负荷，一般采用κr=30°，粗加工时取κr=45°。减小副偏角可以加强刀尖，有利于散热和降低加工表面粗糙度值，一般取κ&acute;r =10°～15°。
    (4)刃倾角λs：由于毛坯有硬皮和表层组织不均匀，粗车时切削刃容易崩损，为了增加切削刃的强度和锋利程度，应加大切屑的滑动速度，一般取λs =-3°～-5°，精车时λs =O°。
    (5)刀尖圆弧半径rε：切削钛合金时刀尖是最薄弱的部分，容易崩掉和磨损，需磨出刀尖圆弧，一般rε=0.5～1.5mm。
    车削时采用负倒棱(bγ=0.03～0.05 mm，γ01=-10°～0°)，断(卷)屑槽的槽底圆弧半径Rn=6～8 mm。
    另外，刀具刃磨质量对提高其耐用度也十分重要。硬质合金刀具宜用金刚石砂轮刃磨，切削时刃口必须锋利，前后刀面的表面粗糙度Ra值应小于0.4um，刃口部分不允许有微小的缺口。刀具刃磨后进行研磨，其耐用度可提高30％。
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6．切削钛合金时怎样选择切削用量？    切削钛合金时，切削温度高、刀具耐用度低，切削用量中切削速度对切削温度的影响最大，因此应力求使所选择的切削速度下产生的切削温度接近最佳范围。高速钢刀具切削钛合金时的最佳切削温度约为480℃～540℃，硬质合金刀具约为650℃～750℃。切削钛合金一般采用较低的切削速度、较大的切削深度和进给量。
9 z/ G+ o9 }% s" I0 e    (1)切削速度Vc：切削速度对刀具耐用度影响最大，最好能使刀具在相对磨损最小的最佳切削速度下工作。切削不同牌号的钛合金，由于强度差别较大，切削速度应适当调整。切削深度对切削速度也有一定影响，应根据不同的切削深度来确定切削速度的大小，核正系数见表7-3和表7-4。

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    (2)进给量f：进给量对刀具的耐用度影响较小，在保证加工表面粗糙度的条件下，可选较大的进给量，一般取f=0.1～0.3 mm/r。进给量太小，使刀具在硬化层内切削，增加刀具磨损，同时极薄的切屑在高的切削温度下容易自燃，因此不允许f<0.05 mm/r。
    (3)切削深度αp：切削深度对刀具耐用度的影响最小，一般选用较大的切削深度，这样不仅可以避免刀尖在硬化层内切削，减小刀具磨损，还可增加刀刃工作长度，有利于散热，一般取αp=1～5 mm。
+ A- W% g" @/ i! t车削钛合金的切削用量见表7-5。
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     7．切削钛合金时怎样选择切削液？
* w; A' H* {0 E' S5 ~7 z9 i切削钛合金时，为了降低切削温度，应当向切削区域浇注大量的以冷却作用为主的切削液。对切削液的要求有导热系数大、比热大、热容量大、汽化热大、汽化速度快、流量大、流速快。一般说来，水比油的导热系数大3～5倍，比热大1倍，汽化热几乎大10倍左右，故用水溶性切削液较为合适。车、铣削钛合金时，常采用乳化液，或采用有极压添加剂的水溶性切削液。
极压乳化剂的配方为：
9 ]" S' a& `0 M% k0 `3 ^, a% y2 K. `    石油磺酸钠  10％      油酸      3％
    石油磺酸铅  6％       三乙醇胺  3.5 ％
    氯化石蜡    4％       20号机油  70.5％
- h: d& V6 Z1 F# |    氯化硬脂酸  3％
    极压添加剂的水溶性切削液的配方为：
    氯化脂肪酸、聚氯乙烯    0.5％～0.8％
) s$ z$ G* y( k1 `4 d1 ~    磷酸三钠    0.59％      三乙醇胺    1％～2％
9 a" h+ [9 n2 L& d; M    亚硝酸钠    1.2％       水          其余
    对于钻孔、扩孔、铰孔、拉削、攻丝等工序，应该采用润滑作用较大的极压可溶性油作切削液，如蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油等。
    冷却润滑的方法最好采用高压喷雾冷却法、高压内冷却法等，这样才可起到良好的冷却、润滑作用。切削液流量不少于15～20 L／min。
# R- D0 w* `" k' b, v/ H    8．切削钛合金时应注意哪些问题?
7 V( n/ U2 Y4 P    在切削钛合金的过程中，应注意的事项有：
! \/ Q* c+ r7 U0 z    (1)由于钛合金的弹性模量小，工件在加工中的夹紧变形和受力变形大，会降低工件的加工精度；工件安装时夹紧力不宜过大，必要时可增加辅助支承。
    (2)如果使用含氯的切削液，切削过程中在高温下将分解释放出氢气，被钛吸收引起氢脆；也可能引起钛合金高温应力腐蚀开裂。
    (3)切削液中的氯化物使用时还可能分解或挥发有毒气体，使用时宜采取安全防护措施，否则不应使用；切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清洗零件，清除含氯残留物。
    (4)禁止使用铅或锌基合金制作的工、夹具与钛合金接触，铜、锡、镉及其合金也同样禁止使用。
% F: S. e/ l1 K* k* p) u0 ^3 c    (5)与钛合金接触的所有工、夹具或其他装置都必须洁净；经清洗过的钛合金零件，要防止油脂或指印污染，否则以后可能造成盐(氯化钠)的应力腐蚀。
    (6)一般情况下切削加工钛合金时，没有发火危险，只有在微量切削时，切下的细小切屑才有发火燃烧现象。为了避免火灾，除大量浇注切削液之外，还应防止切屑在机床上堆积，刀具用钝后立即进行更换，或降低切削速度，加大进给量以加大切屑厚度。若一旦着火，应采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等灭火器材进行扑灭，严禁使用四氯化碳、二氧化碳灭火器，也不能浇水，因为水能加速燃烧，甚至导致氢爆炸。
    9．怎样对钛合金进行铣削？
    钛合金在惰性气体介质中低速铣削时，切屑变形系数大于1.0；但在大气中，铣削速度Vc=30 m/min时，切屑变形系数小于1.0，这是因为钛合金在高温铣削时，对大气中氧和氮的亲和性很大，在800℃高温条件下，钛合金的切屑便激烈地从周围大气中吸收这些气体，产生相变并使缩短的铣屑重新伸长。钛合金铣削时温度很高，冲击力大，应选用能很好地承受交变载荷和热冲击的铣刀刀齿材料。通常选用YG类硬质合金，也可用钴、铝超硬高速钢。
    钛合金铣刀的几何参数和铣削用量见表7-6和表7-7。
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    铣削钛合金时，宜采用不对称顺铣法，这样刀齿前面远离刀尖部分首先接触工件，刀齿切离时的切屑很薄，不易粘结在切削刃上。而逆铣时正相反，容易粘屑，当刀齿再次切入时切屑被碰断，造成刀具材料剥落崩刃。
    端铣刀与工件轴线间的偏移量e可决定铣刀刀齿与工件首先接触的最佳部位，顺铣或逆铣及切离时切屑厚度的大小，一般以偏移量e=(0.04～0.1) do为宜(do为端铣刀直径)。
    由于钛合金的弹性模量小，顺铣造成让刀现象，要求机床和刀具有较大的刚性。铣削时刀具与切屑的接触长度短，不易卷屑，要求刀具具有较好的刀齿强度及较大的容屑空间，否则切屑堵塞会造成刀具剧烈磨损。
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    10．怎样对钛合金进行钻孔？
    钻孔为半封闭式切削，对钛合金钻孔过程中切削温度很高，钻孔后回弹大，钻屑长而薄，易粘结而不易排出，经常造成钻头被咬住、扭断等恶性事故。因此要求钻头具有高的强度和好的刚性，钻头与钛合金的化学亲和性要小，最好采用硬质合金钻头，但目前最常用的仍是麻花钻，经过采取一些措施改进后，也能取得较好的效果。
    (1)改进钻头：为满足对钛合金钻孔的需要，应对麻花钻采取以下改进措施：
    加大钻头顶角，2Ф=135°～140°；增大钻头外缘处后角，取12°～15°；增大螺旋角，p=35°～40°；增大钻心厚度，取(0.22～0.4)do(do为钻头直径)。
    采用“S”形或“X”形修磨钻头横刃，横刃长度b=(0.08～0.1)do，同时保证横刃的对称度≤0.06 mm。两种形式的横刃均可形成第二切削刃，起到分屑作用和减小钻孔时的轴向力。
最常用的是在麻花钻上磨出适于对钛合金钻孔的切削刃形，即钛合金群钻，其切削部分的形状见图7-1。图中外内刃顶角2φ和2φ′在钻头直径do>3～10mm时均为130°～140°，do>10～30 mm时为125°～140°；外刃后角α在do>3～10 mm时为12°～18°，do>10～30 mm时为10°～15°；横刃斜角ψ=45°；内刃前角γτ=-10°～-15°；内刃斜角τ=10°～15°；圆弧刃后角aR=18°～20°。
, _; e5 M) d7 J: ?    钛合金群钻的有关参数和钻削用量见表7-8和表7-9。
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http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/200869153538.jpg  在钻头上做出四条导向刃带，加大钻头截面惯性矩，提高刚性，还自然地形成两条辅助冷却槽，耐用度比标准钻头提高3倍左右，切削温度约降低20％。同时由于导向稳定减小了孔扩张量，如Ф3 mm的四刃带钻头钻孔孔扩张量为0.03～0.04 mm，而标准钻头为0.05～0.06 mm。

' n# y/ t: |* m$ ^2 m8 }# m    (2)选择适宜的枪钻：在钻钛合金长径比大于5的深孔时，当孔径小于等于30 mm时，一般采用硬质合金枪钻，见图7-2；当孔径大于30 mm时，采用硬质合金BTA钻头或喷吸钻等。用图7-2所示枪钻钻削TC11的孔，孔深204 mm(长径比约为26)，可保证表面粗糙度Ra为1.6 μm，生产率提高4倍，切屑呈“梅花”形或“C”形碎屑，排屑正常。

http://www.c-cnc.com/news/file/2008-6/20086915630.jpg用硬质合金枪钻钻长径比大于30的深孔时，在轴向施加小于100Hz的振动进行振动钻孔，可使得工件表面粗糙度Ra为0.3 μm，生产率提高5倍。具体参数为Vc=17 m/min，f=0.033 min/r，振幅为0.07 mm，频率35 Hz，工件圆度4 μm，表面粗糙度Ra为0.33 μm。

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    (3)选择合适的切削液：钻浅孔时可选用电解切削液，其成分为癸二酸7％～10％，三乙醇胺7％～10％，甘油7％～10％，硼酸7％～10％，亚硝酸钠3％～5％，其余为水。

钻深孔时不宜选用水基切削液，因为水在高温下可能在切削刃上形成蒸汽气泡，易产生积屑瘤，使钻孔不稳定。宜采用N32机油加煤油，其配比为3:1或3:2，也可采用硫化切削油。
$ ?2 }* m) |4 ~( A. w/ a    11．怎样对钛合金进行铰孔？
    用高速钢和YG类硬质合金制作的铰刀都可用于钛合金零件上铰孔。高速钢铰刀主要用于纯钛铰孔，YG类硬质合金铰刀主要用于钛合金铰孔。钛合金铰刀有直齿铰刀、阶梯铰刀和带刃倾角的阶梯铰刀三种，直齿铰刀铰出的工件孔径最大，阶梯铰刀次之，带刃倾角的阶梯饺刀最小。阶梯铰刀的第一锥在切削的同时为第二锥起了导向作用，也为第二锥留下了极为稳定的余量，实际上起到了粗铰和精铰的作用；带刃倾角的阶梯铰刀在刃倾角的作用下，提高铰孔过程的平稳性，并使切屑向下排出，不会摩擦、划伤孔壁，因而铰出的孔径精度比阶梯铰刀更高些。
6 Q3 x8 |7 @% |- e" A    钛合金铰刀的几何参数一般选用前角γ0=0°～5°，硬质合金铰刀取小值；后角α0=10°～15°；切削锥角κr=15°～30°。阶梯铰刀的第二锥角为15°，刃倾角λs=-15°。为了加大钛合金铰刀的容屑空间，齿数应少于标准铰刀，齿槽角δ=85°～90°。各种钛合金铰刀参数见图7-3、图7-4和图7-5。

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    钛合金铰刀的直径由铰出孔的扩张量大小来确定，一般高速钢铰刀扩张量取0.008mm，硬质合金铰刀扩张量取0.006mm。
    对钛合金铰孔时，粗铰余量2αp=0.15～0.5 mm，精铰余量2αp =0.1～0.4 mm，直径小时取小值，反之取大值。硬质合金铰刀的切削用量Vc=15～50 m/min，f=0.1～0.5mm/r，铰孔直径大时取大值，反之取小值。高速钢铰刀的铰削用量见表7-10。
* E$ z8 j* [8 g8 k5 w4 Q    铰削钛合金时，最好使用切削液，常用的是电解切削液或混合油(成分为蓖麻油60％和煤油40％)。
/ n0 {: W. k/ F# b    12．对钛合金拉削时应注意哪些问题？
3 s0 {" V! K; W" _  w    首先，根据钛合金材料的特性和切削特点，在拉刀设计时应注意以下几个方面的问题：
    (1)拉刀的前后角直接影响拉刀的切削效果。用高速钢制作的拉刀前角一般取γ0=10°～20°，硬质合金拉刀γ0=8°～15°。用于外拉的拉刀切削齿后角αp =10°～12°，校准齿后角αk =8°～10°；用于内拉的切削齿后角αp =5°～8°，校准齿后角αk=2°～3°；高速钢和硬质合金拉刀的这两个后角相同。对于粗拉刀前后角用小值，精拉刀用大值。
    (2)钛合金拉刀只要条件允许应尽可能做出刃倾角，一般取λs=5°～10°。
    (3)拉刀前后刀面的粗糙度Ra≤0.32 μm。
    (4)校准齿上尽可能不留刃带，若需要时，其宽度应小于等于0.12 mm。
% R- \6 o2 `" N    (5)由于钛合金的弹性模量小，加工后回弹大，开槽拉刀刀齿宽度至少应等于或稍大于槽宽的下限尺寸，以免拉出的槽窄达不到要求。
    (6)拉刀卷屑台的形式与拉削高温合金的基本相同。
    (7)钛合金拉刀的磨钝标准一般为：粗拉刀VB≤0.3～0.4 mm，精拉刀VB≤0.15～0.2 mm。
    再就是选用合理的拉削用量，在保证刀具耐用度的前提下提高生产效率。高速钢拉刀的拉削速度Vc=4.5～6 m/min，粗拉刀的齿升量为0.06～0.10 mm，精拉刀为0.02～0.04 mm；硬质合金拉刀的拉削速度Vc=15～30 m/min，粗拉刀的齿升量为0.08～0.12 mm，精拉刀为0.03～0.04mm。
    拉削钛合金工件时必须使用切削液，一般采用油基切削液，常用的是混合油(蓖麻油60％，煤油40％)。还可选用另一种切削油，其成分为：聚醚30％，酯类油30％，N7机械油30％，防锈添加剂和抗泡沫添加剂10％。
    13．怎样对钛合金进行攻丝？
% U) ]( z* s6 o, o    钛合金攻丝是钛合金切削加工中最困难的工序，特别是攻制小螺纹。这种困难主要表现在攻丝时的总扭矩大，约为45号钢的2倍；丝锥刀齿过快地磨损、崩刃，甚至被“咬死”在螺纹孔内而折断。这是由于钛合金的弹性模量太小，螺纹表面产生很大的回弹，使丝锥与工件接触的面积增大，造成很大的摩擦扭矩，磨损加剧；另外，切屑细小不易拳曲，有粘刀现象，造成排屑困难。因此，解决钛合金攻丝问题的关键是减小攻丝时丝锥与工件的接触面积。
. I6 K& i: a$ T    (1)普通丝锥：必须经过技术处理后方能攻制钛合金螺纹。对普通丝锥进行处理的措施为：增大容屑空间，减少齿数；在校准齿上留出0.2～0.3 mm的刀带后，将后角加大到20°～30°，并沿丝锥全长磨去齿背中段；保留2～3扣校准齿后将后部的倒锥由0.05～0.2 mm/100 mm增大至0.16～0.32 mm/100 mm。当其他条件完全相同时，若将齿背宽度减小(磨去)1/2～2/3，攻丝扭矩下降1/4～1/3。
    (2)修正齿丝锥：修正齿丝锥是把标准丝锥的成形法加工螺纹改为渐成法，工作原理如图7-6所示。由图可知，修正齿丝锥的齿形角α0小于螺纹齿形角α1，使丝锥齿侧与被切螺纹侧表面形成一侧隙角φ=(α1-α0)/2，并将丝锥螺纹做出较大的倒锥，使得摩擦扭矩大大减小，同时也利于切削液的冷却润滑。
& U0 ]3 `5 a, b; y* ], Q    图中各角度间的关系式为：
tanδ=tan κr (tan(α1/2)˙cot(α0/2) -1)
% Q" S( T8 O/ o$ c: W6 m    设计攻制普通螺纹的修正齿丝锥时，为检验方便，一般取丝锥齿形角α0=55°，切削锥角δ可在2°30′～7°30′之间选取。
    标准丝锥的倒锥是从校准齿开始的，倒锥量为(0.05～0.2)mm/100 mm；修正齿丝锥的倒锥则是从第一个切削齿开始，并且倒锥数值远大于标准丝锥，如κr =7°30′的修正齿丝锥可达1.437 mm/100 mm。由于倒锥量加大，修正齿丝锥的校准部分便起不了导向作用，在切削锥前端时必须做出圆柱导向部，以避免丝锥刚攻入时产生歪斜，圆柱导向部的公称尺寸及公差取决于攻丝前的底孔尺寸。图7-7是修正齿丝锥的结构和几何参数示例。修正齿丝锥攻制的螺纹表面粗糙度不如成形式丝锥。

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    (3)跳牙丝锥：跳牙丝锥是在切削齿和校准齿上相间地去掉螺扣，其最大的特点是有效地减小了丝锥与工件的接触面积，使攻丝扭矩显著下降。由于间齿攻丝，相邻螺扣侧刃之间有较宽绰的空间，改善了容屑和切削液进入切削区的条件，提高了丝锥的耐用度；同时在制造丝锥时，砂轮外缘顶部也不需过分尖锐，改善了磨削条件。跳牙丝锥示意图见图7-8。
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    在相同的切削条件下经试验比较，跳牙丝锥的攻丝扭矩约为标准丝锥的30％～50％，修正齿丝锥的35％～60％，耐用度比修正齿丝锥高1～3倍，用跳牙丝锥对钛合金攻丝效果最好。
. W, y/ k( o- B+ t6 W8 r8 Z; ]    (4)螺纹底孔：对钛合金攻丝一般按牙高率(螺孔实际牙型高度与理论高度的比率)不超过70％为依据来选取底孔直径大小，即螺纹底孔直径d1=d0-0.757 8p(d0为螺纹公称尺寸，p为螺矩)。小直径或粗牙螺纹牙高率可取大一些，被加工材料强度低或螺纹深度小于螺纹基本直径时，可适当增大牙高率，但过大会增大攻丝扭矩，甚至折断丝锥。为保证攻丝精度和表面质量，螺纹底孔应为铰后的孔。
9 b& \3 P# S/ ^+ h' B    钛合金的攻丝速度要根据材料的类型和硬度来确定。α钛合金的攻丝速度一般取Vc=7.5～12 m/min，α+β钛合金取Vc=4.5～6 m/min，β钛合金取Vc=2～3.5 m/min；钛合金的硬度≤HB350时选用较高的切削速度，反之选用较低的切削速度。
    对钛合金攻丝时，一般用含Cl、P的极压切削液效果较好，但含Cl的极压切削液攻丝后必须清洗干净，防止零件晶间腐蚀；也可用蓖麻油60％、煤油40％的混合油作切削液。
' r% t3 x5 u% Z0 x9 e    14．磨削钛合金有哪些特点？
    (1)磨削力大：磨削钛合金时，和一般磨削规律一样，径向力大于切向力。在相同条件下磨削TC9的径向分力几乎比45号钢大4倍，切向分力大80％左右。
    (2)磨削温度高：钛合金磨削时滑擦过程所占比重大，产生强烈的摩擦，急剧的弹性、塑性变形和大量的热量，致使磨削区的温度很高。在相同条件下，磨削TC9的磨削温度为45号钢的1.5～2倍，最高时可达1000℃。
    (3)砂轮磨损失效：磨削钛合金时，除粘结、扩散外，钛合金与磨粒之间起化学作用，从而加速了砂轮的磨损过程。观察磨削后的砂轮，钛呈云雾状分布，几乎看不到砂轮磨粒。
" l0 t) U0 R: Q- ?    (4)表面质量不易保证：钛合金磨削时，工件表面容易产生有害的残余拉应力和表面污染层，表面粗糙度数值较大。磨后表面残余拉应力数值大小随磨削用量的加大而增大，磨削速度是残余应力的主要影响因素。
' r- c9 Y- r- |2 a2 J    (5)生产率低：在保证所要求的零件加工精度的条件下，很难获得较高的生产率。磨削时砂轮容易变钝失效，磨削比很低，在相同条件下磨削Tc4的磨削比只有1.53，而45号钢为71.5，约为45号钢的1/47。15．磨削钛合金时怎样选择砂轮？
( |; a5 B. K, I- b7 ^    (1)磨料的选择：白刚玉WA砂轮一般只能在Vc≤10 m/s的条件下磨削钛合金，因为Vc加大会使磨削温度升高，钛合金表层会发生组织转变；而且在高温下很容易吸收空气中的氧形成氧化钛，并与Al2O3生成固溶体，因而增大了钛与Al2O3的粘附结合力，加剧砂轮的粘结磨损。
    绿碳化硅GC及铈碳化硅CC磨料与钛合金粘附较轻，尤以CC砂轮的磨削力小且磨削温度低。采用混合磨料(以GC及CC为主磨料，以铬刚玉PA、单晶刚玉SA、锆刚玉ZA或微晶刚玉MA为副磨料)磨削效果能得到很大提高，磨削温度降低到600℃以下，磨削比可达12。
1 S) p. K+ C) \  J3 l( ?: z    采用人造金刚石JR和立方氮化硼CBN超硬磨料磨削钛合金效果最好。CBN砂轮磨削钛合金的磨削比比采用混合磨料高50～60倍，且工件表层残余应力几乎都为压应力，陶瓷CBN砂轮磨削效果见表7-11。
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    (2)粒度和硬度的选择：粒度和硬度都影响磨削比，粒度的影响大些。磨削钛合金时，常用粒度号为36号～80号的磨料、硬度为K～M的砂轮；较软的砂轮磨削力较小且磨削温度较低，但磨损较大。实践证明，既能减小磨削力又能适当提高磨削比，采用粒度为80号、硬度为J的砂轮为宜。
" _2 d* Q1 b0 u3 [+ W# ]. N  A    (3)结合剂的选择：磨削钛合金的砂轮一般选用陶瓷结合剂V，这种结合剂的砂轮磨削力比较大；对大而薄的砂轮选用橡胶结合剂R，可降低磨削温度和磨削力。
    (4)组织的选择：采用中等偏疏松或疏松的砂轮组织5～8号为宜。成型磨削及精密磨削时，为保持砂轮型面及磨削表面粗糙度，可选用组织较为紧密的砂轮。

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磨削钛合金时，不同磨削方式使用砂轮的具体选择见表7-12。

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    16．磨削钛合金时怎样选择磨削用量？
9 d3 J$ a* ^5 p0 P+ G' I    由于钛合金的磨削温度高，再加上钛合金的化学活性大，工件表层组织很容易发生相变，而且容易产生有害的残余拉应力，会降低零件的疲劳强度，因此在选择钛合金的磨削用量时首先要考虑的是降低磨削温度。磨削速度对磨削温度的影响最大，即磨削钛合金时的速度不宜太高。具体的钛合金磨削用量见表7-13。
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    17．磨削钛合金时怎样选择磨削液？
    磨削钛合金时，要求磨削液具有冷却、润滑和冲洗作用，更重要的是应具有抑制钛与磨料的粘附作用和化学作用。目前用得较多的是水溶性磨削液，有亚硝酸钾溶液、亚硝酸钾和甲酸钠溶液、亚硝酸钠溶液、亚硝酸钠和甲酸钠溶液、亚硝酸胺溶液等。使用含极压添加剂S、Cl、P的极压油，效果较好，尤以氯(Cl)极压油效果最好，但磨后应清洗零件，以防降低零件的抗疲劳强度。
2 z' g: c+ Y# N' K5 F2 q    对于缓进给磨削推荐选用下述配方制备磨削液：亚硝酸钠1％，苯甲酸钠0.5％，甘油0.5％，三乙醇胺0.4％，水(其余)。使用立方氮化硼CBN砂轮磨削时不宜使用水溶性磨削液，因BN与水在800℃左右会起化学反应，造成砂轮过快磨损(BN+H2O→H2BO3+NH3)。
' M# {7 V. X' W$ |- T( u+ ~# h    使用磨削液时，应特别注意流量要足够大，每毫米砂轮宽度一般不低于0.5 L/min。砂轮线速度越高，流量应越大。水箱容量一般为流量的1.5～3倍，以保持磨削液处于较低的温度。另外，钛合金的磨削温度较高，钛屑容易引起自燃，在使用油剂磨削液时，应注意防止发生火灾。
    18．钛合金有哪些其他的磨削方法？
6 _$ }  V1 S& p3 _1 p    磨削钛合金除了常用的普通磨削法外，还可采用缓进给磨削法和低应力磨削法。
    (1)缓进给磨削法：钛合金的缓进给磨削的特点与高温合金类同，有关的详细情况参照高温合金的缓进给磨削部分。钛合金的缓进给磨削一般选用GC60G～JV的砂轮，磨削速度Vc=28～30 m/s，工件速度Vw=70 mm/min，磨削深度αp=1～2 mm。工件表面粗糙度值要求较小时，应采用较硬的砂轮；成形磨削时，可用金刚石滚轮或钢滚轮来修整砂轮。
    (2)低应力磨削法：钛合金的低应力磨削是靠减小磨去单位体积金属消耗的能量，来降低磨后工件表层的残余拉应力，消除烧伤、变形和裂纹，很适合钛合金的磨削。低应力磨削应采取以下措施：使用较软的砂轮，经常保持砂轮和修整工具的锋利，减小径向进给量(或磨削深度)，降低磨削速度，大量充分使用性能好的磨削液。但此法生产率低，只适用于承受很高应力的零件(如：高循环应力或在腐蚀条件下工作的零件)，用这种磨削法可提高零件的疲劳强度。其磨削用量见表7-14。
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    为了达到低应力磨削效果，应严格控制粗、半精、精磨三个阶段的径向进给量(或磨削深度)：
    ①粗磨阶段。由毛坯尺寸磨至比最终尺寸大0.25 mm，采用fr≤0.05 mm/st。
    ②半精磨阶段。再磨至比最终尺寸大0.05 mm，采用fr=0.008～0.015 mm/单行程，半精磨前应修整砂轮。
/ Z+ y" }' j8 I" [2 C    ③精磨阶段。磨至最终尺寸，采用fr=0.0025～0.005 mm/st，或根据需要用2～4个行程的无火花磨削至最终尺寸，精磨前应修整砂轮。
) F. i1 z5 y  ?* W    19．用金刚石刀具切削加工钛合金有哪些特点？
    从加工钛合金的各种刀具材料切削实验的结果可以看出，金刚石刀具加工钛合金的效果最为显著。这是因为金刚石在钛中的溶解度比在铁中小得多，切削时金刚石刀具的扩散磨损很小，故用金刚石刀具切削钛合金有以下特点：
    (1)有很高的耐用度：用硬质合金刀具和金刚石复合片刀具车削钛合金棒料，采用的车削用量为 Vc=56 m/min、αp=1 mm、f=0.05 mm/r，用硬质合金刀具车削时，刀具很快就磨损了，切下的切屑体积仅有0.07 cm3；而在相同的磨损条件下，金刚石车刀却能切下多得多的切屑，切屑体积高达132 cm3，是硬质合金刀具的1885倍。通过切削钛合金试验，在相同的条件下，刀具材料磨损量最大的是氧化铝基陶瓷，其次是硬质合金，磨损量最小的是金刚石。
    (2)有很高的导热性：钛合金的导热系数为5.44～10.47W／(m.K)，是45号钢的1/5～1/6，而金刚石的导热系数非常高，达146.5 W／(m.K)，是45号钢的3倍、硬质合金的1.7～7倍，加上金刚石硬度高，切削刃可磨得非常锋利，切削时产生的切削热较少，刀具又能传出很大部分切削热。因此用金刚石刀具加工钛合金的切削温度低。
6 i# D3 s0 `( h* ]. y; l9 s    (3)允许较高的切削速度：用YG类硬质合金加工TC4钛合金时，切削速度一般采用Vc=20～50 m/min；而用金刚石刀具在没用切削液干切时采用Vc=100 m/min，湿切时可高达Vc=200 m/min，比硬质合金高出好几倍，且刀具几乎看不出有多少磨损。
" T' z! o. i! M/ ~: V1 C    (4)粘结和扩散磨损最小：用于切削钛合金的各种刀具材料中，金刚石与钛合金间产生粘结和扩散的可能性最小，即切削时刀具产生粘结磨损和扩散磨损最小。
. v$ @# @1 p9 @7 @    实践证明，精切钛合金时以金刚石刀具最佳，粗加工时以YG类硬质合金湿切为好。金刚石刀具的几何参数是γ0=-5°、α0=17°、κr=30°、κ&acute;r=20°、λs=0°，rε=0.1 mm；切削用量是Vc=80～90 m/min，αp =0.2～0.4 mm，f=0.05～0.07 mm/r。
    20．切削加工钛合金的实例有哪些？
    (1)将145 mm×65 mm的钛合金车成圆棒，在Vc=56m/min、αp =2 mm、f =0.1 mm/r的情况下，开始用YG8硬质合金刀具，只车下0.7 cm3体积的切屑。后改用金刚石复合刀片的车刀，切下切屑的体积达143 cm3，为硬质合金刀具的204倍，且后刀面磨损很小。又如，用天然金刚石刀具，在干式切削时，在Vc=100 m/min的条件下，切削30 min后，刀具几乎没磨损。在有切削液的条件下，切削速度可达200 m/min。
# K0 ?, w/ S7 [8 [    (2)铣削TB2钛合金，刀具材料为YS30硬质合金，在 Vc=100～150 m/min、αp =0.2～0.5 mm、αf =0.06～0.08mm/z的条件下，切削十分轻快，刀具磨损很小。
(3)对TC4钛合金车外圆和内孔，采用YM052硬质合金为刀具材料，在 Vc=70～120 m/min、αp =1～2 mm、f=0.2 mm/r条件下，刀具磨损比较小，而且表面粗糙度Rn可达0.8μm。
    (4)在TC4钛合金上加工M185×3的螺纹，螺纹为50mm长。采用YM051超细颗粒硬质合金车刀，刀具可车5～6件。
    (5)用不同切削速度加工TC4钛合金时，切削条件为：γ0=3°，α0=14°，κr =κ&acute;r =45°，rε=1 mm，f=0.16 mm/r，tip=1 mm，切削速度分别为30 m/min、60～70 m/min和90～100m/min，结果是：低速时YS2有很高的耐磨性，在高速时，YD15的耐磨性高于YS2。

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:) :) 很经典的教科书！对实际应用也有指导！

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不知道做大件是否使用刀具上有什么讲究，欢迎楼主提供更多的资料