摘要: 在闡述鈦合金材料切削加工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步就其難加工性及影響鈦合金切削加工的關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析，論述了高速切削機(jī)理和加工特點(diǎn)，并著重就高速切削鈦合金的可行性，切削速度范圍及刀具等進(jìn)行了探索研究 。

　　關(guān)鍵詞: 鈦合金高速切削刀具

　　鈦合金由于其比重小、熱強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性好等特性，被廣泛用于航空 、航天、原子能和化學(xué)工業(yè)中，但該材料切削加工困難，一直以來(lái)解決鈦合金加工效率低，表面質(zhì)量差的技術(shù)難題。隨著先進(jìn)制造技術(shù)愈來(lái)愈廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)，高速切削技術(shù)應(yīng)用于鈦合金的切削加工顯現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性。

　　(1)切削溫度高，屬于難加工材料之一。

　　(2)鈦合金在600℃以上時(shí)，與氣體發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。鈦與氧、氮產(chǎn)生間隙固熔體，對(duì)刀具有強(qiáng)烈的磨損作用。

　　(3)鈦合金的塑性比較低，切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度很小，使前刀面上應(yīng)力增大，刀刃容易發(fā)生破損。

　　(4)鈦合金的彈性模量低，彈性變形大，加工表面與后刀面的接觸面積特別大，摩擦也非常嚴(yán)重。

　　(5)粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重。鈦的親和性強(qiáng)，切削過(guò)程中，鈦屑及被切表層與刀具材料咬合，產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，容易引起刀具強(qiáng)烈的粘結(jié)磨損。

　　(6)表層硬化嚴(yán)重。加工鈦合金時(shí)除了塑性變性產(chǎn)生的表層硬化外，由于鈦元素化學(xué)活性大易形成污染層而導(dǎo)致表層硬化 。

　　鈦合金化學(xué)親和力大，導(dǎo)熱性差且強(qiáng)度高，使切削溫度大幅提高 、刀具磨損加劇 ，用傳統(tǒng)的加工方法難以加工，鈦合金加工的高成本是阻礙其廣泛使用的主要原因，尋求一種高效率、低成本的加工方法已成為當(dāng)今鈦合金研究的熱點(diǎn)。迄今已經(jīng)有了一些方法，如熱處理、加熱切削、向切削區(qū)引入超聲波及振動(dòng)等，但這些方法普遍存在著效率低，成本高且加工質(zhì)量難保證等弊端。這里介紹適宜于鈦合金加工的可大幅提高生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量的先進(jìn)制造工藝技術(shù)——高速切削加工。

　　2.1高速切削特點(diǎn)及適用范圍

　　高速切削加工在切削原理上是對(duì)傳統(tǒng)切削認(rèn)識(shí)的突破，在切削機(jī)理上與常規(guī)切削不一樣，高速切削有其自身的特點(diǎn)及適用范圍。

　　(1)工件溫升小，減小工件熱變形：高速切削中，產(chǎn)生的熱量雖多，但由于切屑從工件上切離的速度快 90%以上的切削熱被切切屑帶走，傳給工件的熱量很小，工件積累熱量極少，因而切削時(shí)工件溫度的上升不會(huì)超過(guò)3℃[6-7]。

　　(2)切削力低：由于切削速度高，使剪切變形區(qū)變窄，剪切角增大，變形系數(shù)減小和切屑流出速度快，從而可使切削變形減小，切削力降低，比常規(guī)切削力低30%～90%，刀具耐用度提高 70%。

　　(3)材料切除率高 加工表面質(zhì)量高：高速切削時(shí)其進(jìn)給速度可隨切削速度的提高相應(yīng)提高 5～10倍。 這樣單位時(shí)間內(nèi)材料的切除率可提高 3～5倍。另外，隨著切削速度的提高，切屑可以被很快切離工件，故殘留在表面上的應(yīng)力很小，由于切削點(diǎn)溫度的升高，工件表面鱗刺的高度會(huì)顯著降低，甚至完全消失。

　　2.2 高速切削鈦合金與刀具選擇

　　高速切削鈦合金是在高應(yīng)變率響應(yīng)的作用下，改善其加工性能，從而得到高的加工質(zhì)量 。高速切削鈦合金的速度一般控制在 100～400m/min范圍。高速切削鈦合金的關(guān)鍵技術(shù)除了切削速度外，還有刀具、主軸單元及進(jìn)給單元制造技術(shù)，機(jī)床支承及輔助單元制造技術(shù)，加工測(cè)試技術(shù)等諸多因素。本文主要就高速切削鈦合金過(guò)程中對(duì)刀具耐用度，加工效率和加工質(zhì)量等影響極大的刀具材料重點(diǎn)闡述，以尋求刀具與鈦合金的最佳匹配（如表1）

　　高速切削的速度比常規(guī)切削速度高幾倍甚至十幾倍,因此，對(duì)刀具材料提出了更高的要求，主要要求刀具應(yīng)具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學(xué)性能及高的可靠性。目前國(guó)內(nèi)外用于超高速切削的刀具材料主要有，涂層硬質(zhì)合金、TiC(N)基硬質(zhì)合金、陶瓷刀、聚晶金剛石、PCD和立方氮化硼等。

　　(1)涂層硬質(zhì)合金刀具——涂層刀具是在韌性較好的刀體上涂履一層或多層耐磨性好的難熔化合物，使刀具既有高的韌性，又有很高的硬度和耐磨性，涂層刀具的壽命比未涂層刀具要高2～5倍。

　　(2)聚晶金剛石刀具——天然金剛石刀具因性質(zhì)較脆，容易沿晶體的理體面破裂，導(dǎo)致大塊崩刃。很多場(chǎng)合下已被聚晶金剛石PCD代替PCD是以石墨為原料加入催化劑，經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成,具有很好的導(dǎo)熱性和耐磨性及高的硬度。

　　(3)聚晶立方氮化硼刀具(PCB)——PCB刀具既具有CBN的優(yōu)點(diǎn)，也較CBN易制造。PCB具有很高的熱穩(wěn)定性，可承受1200℃以上的切削溫度，且具有很高的硬度和很高的耐磨性。

　　按照鈦合金材料自身的加工特性，要求刀具材料應(yīng)具有抗變強(qiáng)度高、硬度高、韌性好、熱硬性好耐磨性好及散熱性好等性能。除上述外，由于含鈦的刀具材料在高溫下很容易與鈦合金親合，所以決不能用含鈦的刀具材料。

　　3、結(jié)語(yǔ)

　　鈦合金因其優(yōu)良的性能在航空航天工業(yè)的使用比例逐年增加，但受切削加工成本高和加工效率低的影響，目前應(yīng)用仍然受到較大限制，采用高速切削加工鈦合金材料，解決了常規(guī)切削鈦合金的難題，既保證了加工質(zhì)量又大幅度提高了生產(chǎn)率，具有良好發(fā)展前景。高速切削技術(shù)用于難加工材料的加工正在逐漸成熟。如何進(jìn)一步完善高速切削鈦合金的加工技術(shù)，是有待進(jìn)一步研究的課題。

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