钛合金材料高效切削工艺性能研究

岳锋 杜劭峰 张建强 王卓 张巨宝 齐学会 满达

（内蒙古第一机械集团有限公司，内蒙古 包头，014032）

0 引言

钛合金具有优良的力学性能和物理性能，广泛应用于航空、航天、舰船、军工和医疗器械和其它民用领域，如钛合金TC4（化学成分Ti-6Al-4V），在陆军装备高机动性、耐高温、轻量化制造方面得到推广应用。因此，通过对钛合金材料的机理研究和加工试验，制定高效切削工艺方案，解决其切削难度大、数控加工效率低的问题。

1 钛合金材料特性

钛合金不仅具有重量轻、强度高、热稳定性、无磁性的优良性能，而且在酸、碱、海水和大气等介质中耐腐蚀等显著特性。

1）比强度高（σb/ρ）。钛合金密度为4.52g/cm3，约为钢的57%。其机械强度却与钢相当，具有高强度，通常抗拉强度为（686-1176）MPa。其中TC4抗拉强度Rm约为1262 MPa。

2）硬度较高。钛合金（退火态M）的硬度可达（32～39）HRC，其硬度对切削加工影响较大。

3）高温和低温性能优良。在高温下，钛合金能保持良好的机械性能，其耐热性高于铝合金，在（300～500）℃温度下的强度比铝合金约高10倍，新型耐热钛合金可在（550～600）℃下长期服役；在低温和超低温（-100～-253）℃条件下，仍能保持其力学性能，又是一种重要的低温结构材料[1]。

4）抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在大气、海水、硝酸等氧化性介质及强碱中，钛合金耐蚀性优于多数不锈钢。

5）化学活性大。钛与大气中的O、N、CO2、水蒸气和氮气等产生强烈的化学反应。当含碳量大于0.2%时，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，钛能吸收氧形成硬度较高的硬化层。钛合金吸收气体而产生硬脆表层的深度可达（0.1～0.15）mm，硬化程度比原来基体硬度高（20～30）%。钛合金的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生“粘刀”。

6）热导率很低。钛的热导率为15.24W/m·K，是铁的1/5，铝的1/4。而各种钛合金的热导率更低，一般为钛的50%。TC4的k为7.95 W/m·K。刀具刃口处切削热不易传出，刀刃磨损加剧。

7）弹性模量小。钛合金（退火态M）的弹性模量E为110GPa，约为一般钢材的1/2，切削时径向力易使工件产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损，也对零件精度造成影响。

2 钛合金的切削特点

钛合金加入高强度、高硬度合金元素，添加元素愈多，愈难于切削加工。钛合金的最适宜的切削加工硬度范围为（32～38）HRC[2]，在硬度高于38HRC时，刀具磨损严重，切削加工困难；低于32HRC时，易出现粘刀现象，也不易切削。钛合金材料难于切削加工，除了与硬度有关，还因其具有热导率系数小、化学活性大和弹性模量小等特性，导致其切削加工性能极其恶劣。

2.1 变形系数小

切削钛合金的切屑变形系数略小于1或接近于1。其塑性变形小和切屑收缩率小，高温切削时，钛由α相向β相转变，而β相钛的体积增大，引起切屑在前刀面滑动摩擦路径增长。在高温作用下，同时钛屑吸收空气中的O、H和N，塑性降低，切屑不再收缩，从而加速刀具磨损。

2.2 切削温度高

钛合金由于热导率低，切削热传出困难，致使切削区温度增高。在相同的切削条件下，其切削温度比45钢高将近1倍。还因其塑性变形小，切屑与前刀面接触短，切削热集中于切削刃狭小区域内不易传出，造成刀具升温，刀刃磨损加快[3]。

图1 刀片磨损显微成像

图2 刀具磨损形貌

2.3 易形成硬脆表层

钛合金的化学活性大，在高温切削时，钛吸收N、O等气体而产生硬脆表层。在切削过程中，产生切屑经过刀具前刀面，并与前刀面紧密接触而形成粘结层(a)；在切削过程中，在主切削刃附近会形成平行于切削刃的一系列的月牙洼；严重时，距主切削刃一定距离内的刀具材料被剥离，形成凹坑(b)；因切削力的波动，导致刀具的刀尖部分发生微崩刃现象（c）[4]。如图1所示。

2.4 切削力大

切削钛合金的主切削力比切削一般钢材小20%左右[5]。钛合金在切削过程中通常形成锯齿状切屑，可引起切削力随时间的周期性波动。由于刀具与切屑的接触的长度极短，使单位面积上的切削力却增加，容易造成刀具崩刃或局部崩刃。

2.5 刀具易磨损

钛合金毛坯经过锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，切除硬皮是加工钛合金的一大难点，极易造成刀具磨损。用硬质合金刀具加工钛合金，对刀刃的磨损形貌主要有三种：粘结层(a)、月牙洼(b)和微崩刃(c)。如图2所示。

3 切削用量对切削力的影响

合理选择切削用量，是攻克钛合金高效切削加工必备条件之一。钛合金TC4是当前使用广泛的钛合金之一，约占75%～85%。以TC4锻件为研究对象，选择硬质合金刀具并在数控车床上进行实验，车削过程中的切削力采用压电式测力仪测量。

3.1 切削速度

在进给量0.12mm/r、切深1.0mm条件下，切削TC4锻件，得出进给抗力Fx随着切削速度的增加而逐渐增加；切深抗力Fy和主切削力Fz随着切削速度的增加先降低后增加[6]，但波动变化相对较弱。如图3所示。

3.2 进给量

在切削速度50 m/min和切削深度1.0 mm条件下，当进给量小于0.13 mm/r时，主切削力Fz随着进给量的增加而增加；进给量为0.097 mm/r时，进给抗力Fx明显减小；进给量为0.084 mm/r时，切深抗力Fy也明显减小。当进给量从0.13 mm/r开始增加时，切削力的波动量减弱；由于高切削温度引起的工件材料的软化，导致进给抗力和切深抗力的降低，进给抗力变化尤为明显。因此，切削TC4锻件切削力随着进给量的变化趋势[6]，如图4所示。

图4 切削力随进给量变化

图5 切削力随切削深度变化

3.3 切削深度

在切削速度50 m/min和进给量0.12 mm/r条件下，在小切削深度下，刀尖圆弧不能够完全参与到切削过程中，当切削深度小于0.8 mm时，出现切削力的急剧增加。当切削深度在（0.8～1.0） mm时，由于较高的切削温度提高了工件材料的高温软化率，导致切削力明显的降低。在切削深度超过1.0mm时，三个方向的切削力随切深增加而增加。当切深继续增加时，主切削刃长度随之增加，切削热的散热面积也相应增大，切削温度随切削深度增加变化不大，刀具前刀面的积屑瘤对切削力影响也不明显。因此切削TC4锻件时切削力随着切削深度的变化趋势[6]，如图5所示。

总之，切削钛合金材料时，随着切削速度、进给量和切削深度的增加，单位时间的切削量和刀具表面粘结钛合金材料等条件会发生改变，最终将引起切削钛合金的切削力随着切削参数的变化而发生改变。因此，根据切削力的变化，合理选择切削用量，从而提升对钛合金的数控高效切削。

表1 数控车削的切削用量

4 数控切削参数的选择

选择硬质合金刀具（山高 刀具材质 F40M），在刚性好、精度较高的数控机床上，对钛合金TC4锻件分别进行车、钻、铣等机加试验，得到切削钛合金的参数范围为：切削速度Vc=（25～75）m/min，进给量f≤0.3mm/r，切削深度≤1.0mm。具体如何合理选择切削用量，参见表1、表2和表3。

5 数控加工钛合金刀具选用

钛合金按其退火组织可分为三类：α相、β相和α+β相。α钛合金的切削性能相对较好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。由于TC4材料力学性能优良，工艺性能较成熟，故针对TC4进行研究，探索适合切削钛合金的刀具材质和刀具几何参数等工艺系统，实现对钛合金的高效数控切削。

5.1 切削钛合金的刀具材质

切削加工钛合金时，应选用硬度高、耐磨性好、抗弯强度高、热导率高和与钛合金亲和作用小的刀具材质。通过试验，发现硬质合金是当前比较适合加工钛合金的刀具材质，性价比高。应选择添加TaC或Nb C的YG类细晶粒或超细晶粒硬质合金，牌号有YS2T、YG813、 YG6X等。涂层选择TiAlN、TiAlSi和TiAlN+CrC涂层及金刚石涂层[7]。如图6所示。

5.2 切削钛合金刀具的几何参数

一般选前角r0=5°～15°，后角α0≥15°，主、副偏角、刀尖半径等的选用，要根据粗、精加工条件，以及数控加工时工件表面粗糙度Ra的要求等进行选择。具体见表4。

6 切削钛合金的切削液

试验得出，在加冷却液润滑、湿切的条件下，可提高刀具耐用度和加工效率。为了降低切削温度，应在切削区浇注大量以冷却为主的切削液。对切削液的热导率、比热、热容量、汽化热、汽化速度、流量和流速要求较高。一般是水比油的热导率高3～5倍，比热大1倍，汽化热大约10倍，故水溶性和冷却性能较好。在数控车削、铣削和钻削时，常采用乳化液或采用添加极压添加剂（含S、P和Cl）水溶液[8]。极压水溶液的配方是：氯化脂肪酸、聚氯乙烯0.5%～0.8%，磷酸三钠0.5%，三乙醇胺1%～2%，亚硝酸钠1.2%，其余为水。

表2 数控钻削的切削用量

表3 数控铣削的切削用量

图6 TiAlN涂层金相图

7 数控加工钛合金注意事项

1）在所有数控加工过程中，尤其粗加工，在条件允许时加切削液，有助于刀具降温、润滑及吹屑，尽量避免干切削。

2）用端铣刀铣削平面时，数控加工优先选择顺铣(a)和不对称铣(b)，不对称铣的偏心距ae=(0.04～0.1)d(d为刀具直径)。对个别普通机床丝杠螺母间隙大，镶条松，不利于顺铣时，可以采用逆铣（c）方式加工，但适当调整切削参数。如图7所示。

3）数控加工时，进给量对工件加工表面粗糙度影响最大，其次是切削深度，最次是切削速度。工件表面粗糙度随进给量增加而增加，随着切削速度和切削深度的增加均减少[9]。

4）切削钛合金材料，减小径向力使工件产生的弯曲变形，降低振动，保证零件精度，应选择刚性好的设备和刀具等工艺系统；同时尽量减小对工件的夹紧力，使夹紧确保工件的相对位置即可。

8 结语

钛合金材料在军用装备领域应用愈来愈广。针对其较难切削加工的机理特点，根据工件形状等技术要求，在优先选择数控加工机床和工件装夹等工艺系统的基础上，通过合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削液及切削用量等手段，并采用试切的方式，实现对钛合金材料的高效加工。

表4 硬质合金刀具的几何参数

图7 端面铣削方式