钛合金的超高速切削加工

        钛合金具有比重小、热强度高、热稳定性和抗腐蚀性好等特性，广泛用于航空、航天、原子能和化学工业中。但该材料切削加工困难，一直以来解决钛合金加工效率低、表面质量差的技术难题在不断地探索中，随着先进制造技术愈来愈广泛地应用于制造业，超高速切削技术应用于钛合金的切削加工显现出了明显的优越性。 1 钛合金的难切削加工性

• 影响材料切削加工性的主要因素 一般引起难加工材料切削加工性差的原因主要有以下几种可能因素：①材料中含有硬度很高的质点。②硬度或高温硬度高。③加工硬化大。④导热性差，切削温度高。⑤材料强度大，特别是高温强度大。⑥易与刀具粘接。⑦化学活性大。 被加工材料可能由于上述一种或几种因素的影响，造成其切削加工性差。
  • 钛合金切削加工性
    • 钛合金相对切削加工性 材料切削加工性常采用一定刀具耐用度下切削某种材料所允许的切削速度来衡量。通常取T=60min，则vT写作v60，若将硬质合金车刀切削碳钢时的v60作为基准，切削其它材料时允许的切削速度为v60"则v60"同v60的比值称为该材料相对切削加工性，钛合金相对切削加工性见表1。表1 钛合金相对切削加工性

      影响切削加工性的因素硬度高温强度硬质点加工硬化性与刀具粘性化学亲和力导热性

      切削加工性相对程度 2 1 1 2 1 4 4

      注各项因素恶化切削加工性的相对程度按次序为1，2，3，4。

    • 钛合金切削加工性分析 由表1可见，造成钛合金切削加工性差的主要原因是由于钛合金的化学亲和力极大及导热性极差：①化学亲和力大钛合金在300℃以上高温下极易与刀具材料“亲和”，切削时刀具材料中的一些元素不是溶于钛中，便是与钛起化学作用。②导热性差，钛合金导热性差，热扩散率很小，切削温度很高。钛合金的导热系数平均为工业纯钛的一半，导热系数为45钢的1/5～1/7，因而在相同切削条件下，钛合金的切削温度比45钢高1倍以上。③钛合金切削力虽然不大，约为碳钢的75%，但切屑与刀具前刀面的接触长度却比碳钢小的多，约为碳钢的一半，从而切削钛合金时刀尖所受的应力约为切削碳钢时的1.5倍。④钛合金加工硬化现象并不很严重，约和低碳钢情况相同。 实验证明，钛合金强度愈大，其切削加工性愈差；合金中的强化元素Al、Sn、Zr、Fe、Mo、Cr等含量愈多，则合金强度愈高，其切削加工性愈差；钛中杂质氧、氮、碳、氢等产生间隙固溶，使合金强化的能力更强，因而对切削加工性的影响也更大。
  2 钛合金的超高速切削加工由于钛合金化学亲和力大，导热性差且强度高，使切削温度大幅提高、刀具磨损加剧，用传统的加工方法难以加工。长期以来，改善钛合金切削加工性的途径一直在探索中，合理选择刀具材料及刀具几何参数、合理制定切削用量、采用适当的切削液等均可在不同程度上提高难加工材料的切削加工性。迄今已经有了一些方法，常用的有采用专门热处理、加热切削、向切削区引入超声波及振动等，但这些方法普遍存在着效率低、成本高且加工质量难保证等弊端。这里介绍适宜于钛合金加工的可大幅提高生产效率及加工质量的先进制造工艺技术——超高速切削加工。
  • 超速切削特点及适用范围 超高速切削加工在切削原理上是对传统切削认识的突破,在切削机理上与常规切削不一样,超高速切削有其自身的特点及适用范围。
    • 工件温升小减小工件热变形 超高速切削中，产生的热量虽多，但由于切屑从工件上切离的速度快，90%以上的切削热被切屑带走，传给工件的热量很小，工件积累热量极少，因而切削时，工件温度的上升不会超过3℃。
      • 切削力低 由于切削速度高，使剪切变形区变窄、剪切角增大、变形系数减小和切屑流出速度快，从而可使切削变形减小、切削力降低比常规切削力低30%～90%，刀具耐用度提高70%，特别适合于加工薄壁类刚性差的工件。
        • 材料切除率高加工表面质量高 超高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5～10倍，这样，单位时间内材料的切除率可提高3～5倍。另外，随着切削速度的提高，切屑可以被很快切离工件，故残留在表面上的应力很小，由于切削点温度的升高，工件表面鳞刺的高度会显著降低，甚至完全消失。
        • 超高速切削钛合金 超高速切削钛合金是在高应变率响应的作用下，改善其加工性能，从而得到高的加工质量。超高速切削钛合金的速度一般控制在150～1000m/min范围。 超高速切削钛合金的关键技术除了切削速度外，还有刀具主轴单元及进给单元制造技术、机床支承及辅助单元制造技术、加工测试技术等诸多因素。本文主要就超高速切削钛合金过程中对刀具耐用度、加工效率和加工质量等影响极大的刀具材料重点阐述，以寻求刀具与钛合金的最佳匹配。
          • 超高速切削的刀具材料 由于超高速切削的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍，切削温度很高，因此超高速切削对刀具材料提出了更高的要求主要要求。刀具材料应具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及高的可靠性。目前国内外用于超高速切削的刀具材料主要有：涂层硬质合金、TiC(N)基硬质合金、陶瓷刀具、聚晶金刚石PCD和立方氮化硼等。
            • 涂层硬质合金刀具 涂层刀具是在韧性较好的刀体上，涂履一层或多层耐磨性好的难熔化合物，使刀具既有高的韧性又有很高的硬度和耐磨性，涂层刀具的寿命比未涂层刀具要高2～5倍。
              • 聚晶金刚石刀具 天然金刚石刀具因性质较脆，容易沿晶体的理体面破裂，导致大块崩刃，很多场合下已被聚晶金刚石(PCD)代替。PCD是以石墨为原料加入催化剂，经高温高压烧结而成，具有很好的导热性和耐磨性及高的硬度。
                • 聚晶立方氮化硼刀具 聚晶立方氮化硼(PCBN)是在高温高压下将微细的立方氮化硼(CBN)材料通过结合相烧结在一起的多晶材料，PCBN刀具既具有CBN的优点，也较CBN易制造，所以PCBN得到了很快发展。PCBN具有很高的热稳定性，可承受1200℃以上的切削温度，且具有很高的硬度和很高的耐磨性。
                • 钛合金对刀具材料的要求 按照钛合金材料自身的加工特性，要求刀具材料应具有抗变强度高、硬度高、韧性好、热硬性好、耐磨性好及散热性好等性能。 除上述外，由于含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲合，所以决不能用合钛的刀具材料。
                  表2 超高速切削常用的刀具材料与钛合金的匹配

                  刀具材料 PCD 涂层硬质合金 PCBN TiC(N)基硬质合金陶瓷刀具

                  匹配性能优优良不合适不合适

                • 超高速切削钛合金与刀具材料的匹配 根据钛合金自身对刀具材料的要求及超高速切削对刀具材料提出的特殊要求；研究发现适宜于超高速切削的几种常用的刀具材料与钛合金的匹配性存在很大差异，见表2。 PCD刀具的性能很适宜于加工钛合金：①很好的导热性，由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故切削温度低，金刚石的导热系数为硬质合金的1.5～9 倍。②较低的热膨胀系数，金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍，约为高速钢的1/10。③极高的硬度和耐磨性，金刚石刀具在加工高硬度材料时，耐用度为硬质合金刀具的10～100倍，甚至高达几百倍。
              3 结论采用超高速切削难加工材料钛合金，解决了常规切削钛合金的难题，既保证了加工质量又大幅度提高了生产率，具有良好发展前景。超高速切削技术用于难加工材料的加工正在逐渐成熟，如何进一步完善超高速切削钛合金的加工技术，是有待进一步研究的课题。