钛合金的车削加工策略

王英武

摘 要：钛合金材料因比强度高、密度小、耐腐蚀、耐高温和焊接性好等优异性能，在航空领域得到越来越广泛的应用。基于上述优点，钛合金材料成一些零部件的首选材料。随着航空航天领域发动机产品的更新换代，钛合金的使用比重越来越大，成为飞机发动机理想的制造材料。

关键词：钛合金;车削;加工;方法

钛合金以其比强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想的制造材料，但由于其车削加工性差，长期以来在很大程度上制约了它的应用。随着加工工艺技术的发展，近年来，钛合金已广泛应用于飞机发动机的压气机段、发动机罩、排气装置等零件的制造以及飞机的大梁隔框等结构框架件的制造。传统的钛合金车削加工因其车削速度低，刀具耐用度低，加工质量难于控制，导致加工效率低。提高机床、夹具、工件和刀具组成的工艺系统刚度，可解决钛合金薄壁件车削加工变形问题。

一、刀具材料选择

刀具是高速车削加工中最活跃的因素之一，它直接影响着加工效率、制造成本和产品的加工精度。刀具在高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动，因此其硬度和耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性等基本性能是实现高速加工的关键因素。钛合金的硬度高、耐磨性高等特点也给加工带来了极大的挑战，尤其是车削刀具，因钛合金的车削性差而导致刀具磨损快等加工难题频繁出现，严重影响了加工精度和效率。刀具材料是影响车削加工的重要因素之一，所以合理选择刀具材料是解决难加工材料车削的一条有效途径。满足以上要求的刀具有：陶瓷刀具、涂层硬质合金刀具、立方氮化硼刀具（CBN）及类金刚石刀具（PCD）等。选择刀具材料时，要考虑刀具材料的导热性能，YG类优于YT类。车削钛合金产生单元切屑，变形系数近似为1，刀屑接触长度很短，车削力集中于刃口附近，单位车削力大，易崩刃。钛合金材料车削用刀具有硬质合金刀具、涂层刀具、金刚石刀具和高性能高速钢刀具 等。因此，要选择韧性要好，sbb≥200kg/mm2。刃口要锋利，后角要大，钝圆半径要小。避免使用钝刀车削。经多次钛合金车削加工试验、优选了刀具材料，确定了刀具几何参数，依据刀具磨损情况，提供了较为合理的车削数据。硬质合金刀具宜用金刚石砂轮刃磨，车削时刃口必须锋利，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%。

二、刀具几何参数选择

刀具的主要几何参数有前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角和刀尖圆角半径等。刀具的前角愈大，刀具愈锋利，车削力愈小，适用于精加工。刀具几何参数选择前角g0=4°～8°，后角a0=12°～18°，主偏角？45°～75°，刃倾角l=0°，刀尖圆弧半径r=0.5～1.5mm。例如，有学者对刀具几何参数进行了分析，TC18钛合金铣削试验研究刀具几何参数对铣削力与表面粗糙度的影响，结果表明刀具前角8°、后角10°、螺旋角40°时，刀具车削性能最好。尽管大多數人喜欢选用正前角槽形刀具，但事实上稍带负前角槽形的刀具能以更高的进给去除材料，并且每齿进给量可达0.5mm。但是这同时也意味着必须保持最佳稳定状态，即机床应非常坚固，且装夹应极其稳定。

三、注意车削速度

车削速度是影响车削热产生的首要因素。结果表明，车削速度的选择必须十分小心。在某些情况下，当 车削速度提高10%-15%，则刀具寿命会下降，这表明车削速度的调整幅度过大。车削速度宜低，以免车削温度过高。进给量适中，过大易烧刀，过小则因刀刃在加工硬化层中工作而磨损过快。车削深度可较大，使刀尖在硬化层以下工作，有利于提高刀具耐用度。在车削加工中，钛合金最重要的特性就是热传导性差。因为车削时发作的高温很难被工件吸收而集合于刀具车削刃上，过多的热量促进车削刃与切屑之间发作化学反应并发作月牙洼磨损。参数设定时需要考虑的是进给量，进给量的大小对产生车削温度的大小影响不是很大，在保证加工效率的前提下，减小车削速度增大进给量是合理的车削方式。实验表明车削速度越高，车削温度会随之增加，直接影响刀具的磨损和寿命。因此，要选择合适的车削速度。

四、冷却液使用要合理

钛合金是比强度很高的难加工材料，车削区温度快速增高，刀具快速磨损。通过加冷却液和工具表面镀膜等方法来提高刀具寿命。由于钛合金在加工过程中，温度很高，化学活性大。在微量车削时，易出现燃烧现象，所以必须加注充分的车削液。常用的车削液有乳化液和极压水溶性车削液。为保证加工质量及提高刀具的耐用度，还应考虑到冷却液的使用，比如要充分对加工区域进行冷却，冷却液不仅可以有效降低车削温度，还可以减少车削时对刀具的黏结现象，提高效率，延长刀具使用寿命。高速钢刀具最适合于成形车削、车槽或切断。对于连续车削车削时使用易溶于水的冷却液较好。5%硝酸钠水溶液或5%可溶性油乳水溶液可获得很好的效果。车削冷却液有助于冷却刀具和排除车屑，一般不进行干车削。

五、结束语

作为典型的难加工材料，钛合金的加工技术能映一个国家的航空制造技术水平。钛合金加工时的车削力只是略高于同等硬度的钢，但是加工钛合金的物理现象比加工钢要复杂得多，从而使钛合金加工面临巨大的困难。因此，通过以上对钛合金车削性能分析、合理选择刀具及加工参数等问题，有效的解决了钛合金零件车削时刀具耐用度低等问题。实践证明，要在超硬刀具高速车削钛合金关键技术方面取得突破，须通过进一步合理地选择刀具材料及几何参数，优选车削用量，针对不同的加工对象制定相应的加工工艺规范，加强对钛合金车削加工工艺的研究，最终高效率地加工出表面完整性优异的航空零件。

参考文献

[1]李选琦，T11钛合金零件的车削加工[J];机械工程师;2007年04期

[2]郑文虎.难车削材料加工技术[M].北京：国防工业出版社，2008.

[3]陆剑中，孙家宁.金属车削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2011.