隨著航空航天領域發動機產品的更新換代，鈦合金的使用比重越來越大：鈦合金憑借優異的綜合力學性能、密度小、抗腐蝕性強等特點，成為飛機發動機理想的制造材料。在航空發動機燃油控制系統中，鈦合金已逐步取代耐熱鋼、不銹鋼等材料，成為各類連接件、緊固件等部件的首選材料。但同時，鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點也給加工帶來了極大的挑戰，尤其是切削刀具，因鈦合金的切削性差而導致刀具磨損快等加工難題頻繁出現，嚴重影響了加工精度和效率。因此，中航西控主要通過對鈦合金材料切削加工性能的分析，選用合理的加工刀具，確定較優的切削參數和加工工藝，來找到適合在數控車床上對鈦合金軸類零件進行粗加工和精加工的有效途徑。

　　鈦合金加工給刀具帶來極大挑戰

　　鈦的各種屬性使之成為具有強大吸引力的零件材料，但其中許多屬性同時也影響著它的可加工性。工業中常用鈦合金為兩相鈦合金，即（α+β）鈦合金，在航空發動機燃油附件中常用TC4、TC6，其中TC4是這類合金的典型代表。鈦合金材料硬度高、切削性能差，且易產生加工硬化現象，給切削加工帶來了困難。針對鈦合金中TC4這類材料的零件，尤其是車削加工工藝，中航西控做了較為深入的研究，并取得了一些經驗。

　　首先，鈦合金的彈性模數小，其中TC4的彈性模量E=110GPa，約為鋼的一半，而且導熱性低，因而由切削力所引起的被加工件彈性變形大，同時在加工過程中會產生較高和較集中的切削力。這樣就容易產生振動而導致切削時出現震顫，降低工件精度，因此要改善加工系統的剛性。

　　其次，鈦合金在切削加工中所產生的局部高溫，使鈦很容易吸收大氣中的氧和氮，從而形成又硬又脆的外皮。這就會造成工件加工表面的加工硬化現象，而且加工硬化速度快，使得刀具表面產生嚴重的劃痕，容易在切削過程中產生崩刃現象。

　　除此之外，鈦合金材料本身的物理和化學性能使其切削加工時與工件親和力大，切削加工時刀具與工件接觸時易產生黏刀現象，增大了刀具與工件間的摩擦，產生大量的切削熱。由此產生的大量切削熱無法及時通過切屑散發出去，大大降低了刀具的使用壽命。因此加工鈦合金的刀具必須具備高熱硬度。

　　鈦合金加工是一項系統工程

　　中航西控所制造的航空發動機燃油控制系統中，鈦合金零件以小型軸類零件為主，車削加工為其主要加工手段。

　　這里的鈦合金加工可以被看作是一項系統工程，需要從加工設備、切削刀具、切削參數、冷卻液等多個角度進行考慮。就加工設備而言，鈦合金加工需要機床加工性能好，冷卻充分，所以加工設備選擇加工精度較高的數控車床，加工時主軸震動極小加工穩定性好。

　　用于鈦合金加工的刀具材料的硬度及耐磨性要好，具有極好的耐熱性、在高溫下能保持較高的強度及韌性，以及一定的抗沖擊性和抗破壞性。滿足以上要求的刀具有：陶瓷刀具、涂層硬質合金刀具、立方氮化硼刀具（CBN）及類金剛石刀具（PCD）等。其中涂層硬質合金刀具價格低廉，且具有良好的導熱性和較高的硬度，在紅硬性和韌性等方面也表現出色，雖然比陶瓷、立方氮化硼刀具（CBN）、類金剛石刀具的耐熱性和化學穩定性要差一些，但比陶瓷和類金剛石刀具具有較高的抗沖擊性和抗破壞性。因此已成為加工鈦合金的首選刀具。

　　在車削參數方面，鈦合金加工也是需要更多考量的。如切削速度的設定，過高的切削速度會導致切削熱升高，刀具切削刃過熱、粘結現象嚴重，刀具磨損加重，會縮短刀具使用壽命；同時會導致鈦合金工件表層開裂或氧化，影響工件的力學性能，所以應在保證較大的刀具耐用度下，選擇適當較低的切削速度，降低加工成本并保證加工質量。其次是切削深度的設定，因鈦合金工件加工前須進行預備熱處理，使得工件表面有一層氧化層，為提高刀具的耐用度應采用相對較大的切削深度，可以直接切入鈦合金機體未氧化的金屬層，提高刀具使用壽命。另外一個參數設定時需要考慮的是進給量，進給量的大小對產生切削溫度的大小影響不是很大，在保證加工效率的前提下，減小切削速度增大進給量是合理的切削方式。

　　為保證加工質量及提高刀具的耐用度，還應考慮到冷卻液的使用，比如要充分對加工區域進行冷卻，冷卻液不僅可以有效降低切削溫度，還可以減少切削時對刀具的黏結現象，提高效率，延長刀具使用壽命。

　　硬質合金涂層刀具改善加工

　　旋轉類零件如某螺塞零件，最大外圓直徑為φ33.8，材料為TC4，原材料選用φ30棒材。零件采用一次車削加工完成（如圖1）。為了保證零件加工精度，加工設備選用了進口數控車床，其主軸轉速最高6000轉/分，主軸跳動小于2μm，加工時主軸震動極小加工穩定性好，冷卻液可由3個方向噴出，冷卻充分。

　　圖1 產品零件圖

　　進行外圓車削時，初期選用了某知名品牌硬質合金涂層刀具，按照廠家推薦的切削參數進行加工。由于零件來料狀態為圓棒料，表面有熱處理氧化層，加工時刀具的邊界磨損嚴重，致使加工10～15件零件刀具就產生不同程度的磨損及崩刃現象（如圖2），無法滿足批量生產的加工需求。

　　圖2 刀具的磨損形式

　　后期經過反復試驗驗證，中航西控最終選用了瓦爾特公司同等價格下的硬質合金涂層刀具：外圓粗加工選用WNMG080404-NM4 材質WSM30；外圓精加工選用CCMT09T304-PF4材質WSM30（如圖3），此刀片同時用于鏜孔加工。

　　圖3 硬質合金涂層粗、精加工刀具

　　WNMG080404-NM4材質WSM30刀片是一款W形負型刀片，雙面6個有效切削刃，NM4是專為不銹鋼和難加工材料設計槽型，適合中等切削，在單邊余量0.5~4mm，進給0.16~0.25以內，都可以形成完美的切屑。WSM30材質的抗沖擊性能非常強，刀片涂層則是采用了Al2O3物理涂層，既確保了刃口的鋒利性，又具有出色的紅硬性，有效延長了刀具壽命。

　　CCMT09T304-PF4材質WSM30刀片是C形正型刀片，PF4是專為不銹鋼和難加工材料設計的精加工槽型，適合單邊余量在1.5mm以內的精車加工。

　　由于TC4的加工特性及刀具材質WSM30的特性，使切削時產生大量的熱量，加工區溫度可達到800℃ 以上，而刀具切削區的高溫可對工件的切削層產生退火和軟化效應，可很大程度上消除零件的加工硬化現象；同時硬質合金涂層刀具耐高溫且紅硬性好，使得工件粗車加工時較易切削；粗加工用WNMG080404-NM4刀片為凸三角形刀片，負型刀片，可以正反使用，共6個刃可使用6次，大大降低了粗加工時的刀具費用。

　　粗加工選擇低轉速大進給量，切削參數選擇：切削深度ap=0.8～1.2 mm；進給量F=0.18～0.4 mm/n；主軸轉速S=600～1000rpm。粗車刀片一個刀刃可加工25～30件零件。精加工及鏜孔加工切削參數選擇：切削深度ap=0.2mm；進給量F=0.1mm/n；主軸轉速S=2000rpm左右，精車刀片一個刀刃可加工45～50件零件，鏜孔加工時一個刀刃可加工35～45件，加工后零件的表面粗糙度可達Ra0.8，尺寸精度可控制0.005mm以內，滿足了零件的設計要求，而且車削零件時的加工硬化現象基本消除，大大提高了加工效率及刀具使用壽命。

　　圖4 現場加工圖

　　鈦合金以其優良的性能在國內外航空航天工業領域的使用率在逐年提升，但受加工成本高、加工效率低、刀具耐用度低等問題的影響，應用層面一直受到比較大的阻礙，通過以上對鈦合金切削性能分析、合理選擇刀具及加工參數，有效的解決了鈦合金零件車削時刀具耐用度低等問題。實踐證明數控車床、硬質合金涂層刀具不失為加工鈦合金的利器，在車削刀具選擇上瓦爾特公司的產品是一種比較經濟的選擇。