鈦合金以優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、低密度以及良好的耐腐蝕性，被譽(yù)為是一種使人類走向太空時(shí)代的戰(zhàn)略性金屬材料，不僅在航空航天及軍工領(lǐng)域得到廣泛的使用，而且開始逐漸滲透到經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)方面。隨著中國(guó)航空航天事業(yè)的發(fā)展，鈦合金的加工技術(shù)受到更多的關(guān)注和研究。

　　鈦合金的分類

　　鈦合金按照不同的方法有不同的分類，最常用的分類方法是按退火后組織特點(diǎn)分類，可分成α、α+β、β型鈦合金。

　　α 型鈦合金密度小，有很好的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，焊接性能好，室溫、超低溫和高溫性能良好，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。例如TiAl在600℃時(shí)，仍然有很高的強(qiáng)度，而且蠕變性能、熱穩(wěn)定性、疲勞性能和斷裂韌性等方面都有好的表現(xiàn)，常用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤和葉片的制造。

　　α+β型鈦合金雙相合金，組織穩(wěn)定，韌性、塑性和高溫變形性能隨著β相穩(wěn)定元素的增加而提高；有較好的熱壓力加工性，能進(jìn)行淬火時(shí)效使合金強(qiáng)化，熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50％ ~100％ ；高溫強(qiáng)度高，可在400~500℃的溫度下長(zhǎng)期工作，其熱穩(wěn)定性次于α 鈦合金。α+β型鈦合金中Ti-6Al-4V( 中國(guó)牌號(hào)TC4) 是鈦合金中使用量最大的鈦合金，在美國(guó)，其產(chǎn)量占鈦合金產(chǎn)量一半以上，以其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和切削加工性大量用于航空零件制造。圖1為鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪。

　　β鈦合金是β相固溶體組成的單相合金，室溫的強(qiáng)度較高，冷加工和冷成型加工能力強(qiáng)，未熱處理即具有較高的強(qiáng)度，淬火時(shí)效后合金強(qiáng)度得到進(jìn)一步強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度可達(dá)1372~1666MPa；但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。

　　鈦合金切削加工的特點(diǎn)

　　鈦合金本身所具有的物理和化學(xué)性能給切削加工帶來(lái)了困難，具體表現(xiàn)有以下6點(diǎn)。

　　（1）鈦合金的導(dǎo)熱性差，是不良導(dǎo)熱體金屬材料。由于導(dǎo)熱、導(dǎo)溫系數(shù)小，是45號(hào)鋼的1/6，所以在加工時(shí)所產(chǎn)生的高熱量不能有效擴(kuò)散，同時(shí)刀具的切削刃和切屑的接觸長(zhǎng)度短，使熱量大量聚集在切削刃上，溫度急劇上升，導(dǎo)致刀刃的紅硬性下降，刀刃軟化，加快刀具磨損。

　　（2）鈦合金的親和力大。鈦合金在加工中黏刀現(xiàn)象嚴(yán)重。增大了刀體與工件的摩擦，摩擦導(dǎo)致大量的熱，降低了刀具的使用壽命。

　　（3）高的化學(xué)活性。在加工中，隨著切屑溫度的升高，容易與空氣中的O、N、CO、CO2、H2O 等發(fā)生反應(yīng)，使間隙元素O、N的含量增加，工件的表面氧化變硬，難以加工，增大了刀具單位面積上所承受的切削力，刀尖應(yīng)力變大，同時(shí)使前刀面和后刀面與工件的摩擦加劇，這將導(dǎo)致刀刃迅速磨損或崩刃。

　　（4）鈦合金的變形系數(shù)不大于1。在切削加工中，刀- 屑接觸面積小，增大了切屑和前刀面的摩擦，提高了切削溫度，加快了刀具前刀面磨損。

　　（5）鈦合金的彈性模量小，在切削中容易產(chǎn)生較大變形、回彈、扭曲和振動(dòng)，造成加工件幾何形狀和精度差，表面粗糙度增大，刀具磨損增加。

　　（6）不同的加工方法，鈦合金的加工難度不同。按機(jī)械加工由易到難排序?yàn)椋很囅鳌娤鳌@削、磨削。其中鉆小直徑深孔更困難。

　　鈦合金切削加工的刀具材料

　　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)。刀具材料的選擇對(duì)于鈦合金的加工有很大影響。加工鈦合金的理想刀具材料必須同時(shí)具備較高的熱硬度，良好的韌性、耐磨性，高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的化學(xué)活性，在銑削時(shí)，刀具還應(yīng)具有良好的抗沖擊性。

　　當(dāng)今在生產(chǎn)實(shí)際中用來(lái)加工鈦合金的刀具材料主要有：硬質(zhì)合金、聚晶金剛石(PCD) 、聚晶立方氮化硼(PCBN) 等。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)際驗(yàn)證，硬質(zhì)合金和PCD 刀具被認(rèn)為是加工鈦合金比較理想的刀具材料。

　　1．硬質(zhì)合金刀具

　　硬質(zhì)合金刀具是目前加工鈦合金應(yīng)用最為廣泛的一種刀具。因其低廉的價(jià)格、優(yōu)良的導(dǎo)熱性、較高的硬度、韌性和紅硬性己成為國(guó)內(nèi)企業(yè)加工鈦合金的首選。硬質(zhì)合金按晶粒的大小可分為普通硬質(zhì)合金、細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金；按化學(xué)成分可分為鎢鈷類（YG）、鎢鈷鈦類（YT）和添加稀有碳化物類（YW）。由于鎢鈷鈦（YT）類刀具和鈦合金有強(qiáng)烈的親和力，所以目前在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用的仍然是鎢鈷類硬質(zhì)合金YG8、YG6、YG3等。如果使用添加的稀有金屬的細(xì)晶粒硬質(zhì)合金YA6、YD15、YG10H、YS2等，可提高刀具的壽命和加工效率。

　　硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金的速度可以達(dá)到45m/min以上，但當(dāng)切削速度繼續(xù)增加時(shí)，刀具和工件接觸面的溫度迅速升高，同時(shí)由于Co的熔點(diǎn)較低，在高的切削溫度及元素?cái)U(kuò)散作用下，造成了刀具材料中W和Co元素的擴(kuò)散和流失，降低了刀具的硬度和韌性，使硬質(zhì)合金刀具發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形、粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損，導(dǎo)致刀具失效，因此，硬質(zhì)合金刀具只適合切削速度小于75m/min的鈦合金。

　　2．聚晶金剛石（PCD）刀具

　　聚晶金剛石刀具（見圖3）具有極高的硬度和耐磨性、刃口鋒利、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高導(dǎo)熱系數(shù)、以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點(diǎn)。

　　金剛石刀具主要有聚晶金剛石（PCD）刀具和化學(xué)氣相沉積刀具（VCD）金剛石刀具。金剛石類刀具適用于鈦合金的精加工和超精加工。金剛石的耐熱溫度只有700~800℃，加工時(shí)必須進(jìn)行充分的冷卻和潤(rùn)滑。試驗(yàn)表明，在切削速度105m/min的情況下車削鈦合金Ti-6A1-4V時(shí)，PCD刀具并沒有發(fā)生粘結(jié)磨損，在刀具前、后刀面也都粘有較多鈦合金，這些粘著物會(huì)被切屑慢慢帶走，不會(huì)對(duì)切削刃帶來(lái)?yè)p害，因?yàn)樵诘毒弑砻鏁?huì)形成一層薄薄的TiC層，這種TiC層很穩(wěn)定，能很大程度降低PCD刀具前、后刀面的粘結(jié)和擴(kuò)散磨損。但是由于PCD刀具刀尖鋒利和切削溫度高，在切削加工中更易發(fā)生微崩刃和石墨化引起的溝槽磨損。

　　3．聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具

　　如圖4所示為聚晶立方氫化硼PCBN車刀，PCBN刀具的硬度雖然略低于金剛石，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它高硬度材料，而且PCBN 刀具熱穩(wěn)定比金剛石高得多，可達(dá)到1200℃以上，適合高溫干切削。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)惰性大，與鈦合金在1200℃不起化學(xué)反應(yīng)。

　　PCBN刀具加工鈦合金與硬質(zhì)合金刀具相比，有切削速度高、表面粗糙度低和刀具壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，并且在高速、低進(jìn)給量、低背吃刀量的條件下，有更長(zhǎng)的刀具壽命和非常好的工件加工表面粗糙度，因此PCBN刀具更適合用作鈦合金的精加工，但由于PCBN 刀具脆性很大，在切削加工中應(yīng)重視刀具可能產(chǎn)生的破損和崩刃問題。

　　鈦合金切削加工的一般原則

　　美國(guó)、日本、前蘇聯(lián)從20世紀(jì)60年代開始，由于軍事工業(yè)和飛機(jī)制造業(yè)的需要，開始對(duì)鈦合金的切削加工原則進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并獲得了大量的成果。鈦合金主要的切削原則有以下5 點(diǎn)。

　　1．切削速度：

　　切削速度是影響刀刃溫度的重要因素。過高的切削速度會(huì)導(dǎo)致刀刃過熱、刀刃粘結(jié)和擴(kuò)散磨損嚴(yán)重，刀具重磨頻繁，會(huì)縮短刀具壽命。同時(shí)會(huì)導(dǎo)致鈦合金工件表面層開裂或氧化，影響其力學(xué)性能，所以應(yīng)在保證較大的刀具耐用度的前提下，選擇適當(dāng)?shù)那邢魉俣龋档统杀荆ＷC加工質(zhì)量。

　　2．進(jìn)刀深度和走刀量：

　　走刀量的變化對(duì)溫度的變化不大，所以降低切削速度增大走刀量是合理的切削方式。如果有氧化層和皮下氣孔層的情況，大的切深可直接切到基體未氧化金屬層，提高刀具的壽命。

　　3．刀具的幾何角度：

　　在切削鈦合金時(shí)，選擇與加工方法相適應(yīng)的前角和后角等幾何參數(shù)，并對(duì)刀尖適當(dāng)?shù)奶幚恚瑫?huì)對(duì)切削效率和刀具的壽命有重要的影響。試驗(yàn)證明，當(dāng)車削時(shí)為了改善散熱條件和增強(qiáng)切削刃，前角一般取5°~9°；為了克服因回彈而造成的摩擦，刀體的后刀面一般取10°~15°；當(dāng)鉆孔時(shí)，縮短鉆頭長(zhǎng)度、增加鉆心的厚度和導(dǎo)錐量，鉆頭的耐用度可提高好幾倍。

　　4．夾具的夾緊力：

　　鈦合金易變形，夾緊力不能過大，特別在精加工工序時(shí)，可以選擇一定的輔助支承。

　　5．切削液：

　　切削液是鈦合金加工中不可缺少的工藝潤(rùn)滑油。切削液不僅可以有效降低切削溫度，減少刀具和切削摩擦產(chǎn)生的熱量，還可以充當(dāng)切削過程的潤(rùn)滑劑，減少鈦合金的切屑和刀具面的黏結(jié)，提高效率、降低成本，延長(zhǎng)刀具的壽命。但不能使用含有氯或其它鹵元素和含硫的切削液，這類切削液會(huì)對(duì)鈦合金的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　綜上所述，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。隨著刀具材料的研發(fā)和加工工藝的不斷完善，鈦合金的加工效率會(huì)大大地提高，加工成本將會(huì)明顯下降，從而在造船、汽車制造、化工、電子、海洋開發(fā)等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。