【摘要】刀具材料、刀具的幾何角度以及切削用量的選擇對(duì)于鈦合金的車削加工有很大影響。加工鈦合金的刀具必須具備較高的熱硬度、耐磨性、良好的韌性、較低的化學(xué)活性和較高的導(dǎo)熱系數(shù)。

　　【關(guān)鍵詞】鈦合金；刀具材料；強(qiáng)度；耐磨性

　　1.前言

　　鈦合金是繼鐵、鋁之后的第三金屬材料，由于鈦合金具有無磁性、抗腐蝕性好、熱強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，最初它在美國(guó)的航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用中占有很重要的地位。隨后世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，并相繼對(duì)其進(jìn)行了研究開發(fā)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、人民的日常生活中。鈦合金在生物醫(yī)學(xué)方面有應(yīng)用，鈦合金在民用領(lǐng)域方面有應(yīng)用：鈦合金在自行車行業(yè)、汽車行業(yè)及體育行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。鈦合金制品應(yīng)用勢(shì)頭發(fā)展迅猛的另一行業(yè)是汽車業(yè)。研發(fā)直現(xiàn)今，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、曲軸、連桿、懸簧、消音器和車體等，都用上了鈦或鈦合金。

　　2.鈦合金的組織和性能

　　根據(jù)退火處理后鈦合金的金相組織分，鈦合金可分為α、（α+β）、β鈦合金三類（PCBN高速切削鈦合金實(shí)驗(yàn)研究）。

　　（1）α鈦合金

　　退火組織為單一α相固溶體的鈦合金稱為a鈦合金。a鈦合金主要以添加含有a穩(wěn)定元素Al和中性元素，基本上不含或僅含少量的β穩(wěn)定元素。廣義上的a鈦合金包括平衡狀態(tài)下含有很少β相的近a鈦合金。a鈦合金的特點(diǎn)是組織穩(wěn)定，高溫性能好，熱穩(wěn)定性好，是耐熱鈦合會(huì)的基礎(chǔ)。但由于其不能承受熱處理強(qiáng)化，因此室溫下強(qiáng)度不是很高。

　　（2）β鈦合金

　　從β區(qū)淬火后能將高溫的β-Ti穩(wěn)定至室溫即得到β鈦合金或介β鈦合金。廣義上的β鈦合金包含平衡狀態(tài)下不含α相的全β鈦合金、具有較少α相的介穩(wěn)定β鈦合金以及具有較多α相的近β鈦合金。由于β鈦合金體的心立方晶格結(jié)構(gòu)，滑移系多，易產(chǎn)生塑性變形，高溫組織穩(wěn)定性差。

　　（3）α+β鈦合金

　　α+β鈦合金是以α相為基體，添加適當(dāng)?shù)?beta;穩(wěn)定元素，一般也稱為雙相鈦合金。兩相鈦合金具有較好的綜合力學(xué)性能，強(qiáng)度高于α鈦合金，同時(shí)又保留了α鈦合金的耐熱性，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，熱加工性好。但該類鈦合金組織穩(wěn)定性相對(duì)α鈦合金較差，α+β鈦合金中低β相含量的焊接性能良好，β相含量的越多，焊接性能會(huì)越差。

　　鈦合金按其性能特點(diǎn)，可分為耐熱鈦合金、高強(qiáng)度鈦合金、中強(qiáng)度鈦合金、低強(qiáng)度高塑性鈦合金等。

　　3.鈦合金切削加工的特點(diǎn)

　　鈦合金所具有的一系列物理和化學(xué)性能給車削鈦合金帶來了很多困難，

　　（1）鈦合金的熱導(dǎo)率很低，切削產(chǎn)生的熱量不易散出。鈦合金的車削過程是一個(gè)非線性大應(yīng)變的過程，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，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，刀刃軟化，加快刀具磨損。

　　（2）鈦合金的化學(xué)性能很大。一方面，高溫下，鈦合金很容易與刀具材料起反應(yīng)加速了月牙洼的形成。但是鈦合金的切削過程基本上是在高溫下進(jìn)行的。另一方面，在較高的切削溫度下，鈦合金容易和空氣中的氧和氮產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成脆而硬的外皮，再加上切削過程中的工件已加工表面產(chǎn)生的塑性變形也會(huì)造成表面硬化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為冷硬現(xiàn)象。冷硬現(xiàn)象不僅降低鈦合金零件的疲勞強(qiáng)度，而且加劇刀具磨損，是切削鈦合金時(shí)的一個(gè)重要特點(diǎn)。

　　（3）變形系數(shù)小。這是鈦合金切削加工的顯著性特點(diǎn)，變形系數(shù)小于或者接近于l。在加工過程中，切屑與前刀面接觸的面積太大，切屑在前刀面上滑動(dòng)的距離太長(zhǎng)，大大增加了刀具的磨損，同時(shí)也提高了切削區(qū)的溫度。

　　（4）刀具易磨損。毛坯經(jīng)過沖壓、鍛造、熱軋等工藝處理后，形成硬而脆的不均勻外皮，極易造成崩刃現(xiàn)象，所以切除硬皮成為鈦合金切削過程中最困難的工序。另外，由于鈦合金對(duì)刀具材料的化學(xué)親和性強(qiáng)，容易出現(xiàn)切削溫度高和單位面積上切削力大，刀具上容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。

　　在鈦合金切削加工過程中的，阻礙其廣泛使用的主要原因是鈦合金加工的高成本是。因?yàn)殁伜辖鸩牧媳容^昂貴，加工又很困難，加工鈦合金的刀具比加工普通的材料的刀具要求高太多，特別是在高速切削加工過程和精加工過程中，刀具的要求非常的高，但最后的鈦合金的切削用量不高，加工的成本太高。在我國(guó)高性能專用機(jī)床、刀具的國(guó)產(chǎn)化程度比較低，鈦合金車削過程中的切削用量的選擇也很不合理，嚴(yán)重制約了我國(guó)鈦合金切削加工水平的提高。歸根結(jié)底，鈦合金高速切削加工的基礎(chǔ)理論和工藝規(guī)范不夠完善，導(dǎo)致高性能機(jī)床和刀具無法充分發(fā)揮其效能，制約了鈦合金高速切削技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。因此深入研究鈦合金高速切削的機(jī)理，并優(yōu)化工藝參數(shù)，是提高鈦合金加工工藝水平的主要措施之一。

　　4.鈦合金材料切削加工的基本原則

　　（1）切削速度要低。因?yàn)榍邢魉俣葘?duì)切削刃的溫度影響很大，切削速度越高，則切削刃溫度劇增，切削刃溫度的高低直接影響著刀具的壽命，所以要選擇合適的切削速度。

　　（2）切削深度要大。通過實(shí)驗(yàn)證明，切削深度對(duì)刀刃溫度影響較小，所以采用較低的切削速度、增大切削深度對(duì)鈦合金的切削是有利的，特別是粗車時(shí)，要保證刀刃完全進(jìn)入被切削的鈦合金表面內(nèi)，以防止產(chǎn)生磨損或崩刃現(xiàn)象。

　　（3）切削加工中不能停止走刀。切削中停止走刀，刀刃和被切削鈦合金就會(huì)在高負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間摩擦，容易引起鈦合金的加工硬化，產(chǎn)生燒結(jié)和擠裂而損壞刀具。

　　4.1 刀具的幾何角度選擇

　　前角和后角的選擇對(duì)于鈦合金的車削加工最重要的。鐵合金導(dǎo)熱性能差，車削過程中產(chǎn)生的大量熱，這些切削熱絕大部分集中在刀刃處，導(dǎo)致刀尖處的溫度急劇升高。因此，一般情況下刀具都會(huì)比較鋒利，適當(dāng)?shù)脑龃蟮毒叩暮蠼牵@樣可以減少切削刃處產(chǎn)生的切削熱，同時(shí)還能夠提高切削力，有利于保護(hù)刀尖。但是后角也不能增加的太大，會(huì)降低刀具的強(qiáng)度，導(dǎo)致刀具過快磨損甚至崩刃，綜合考慮，鈦合金的車削加工一般情況后角的選擇應(yīng)該是10°到16°之間。用高速鋼或者硬質(zhì)合金車刀精車時(shí)，前角一般選取的比較小，一般選取0°到5°。而進(jìn)行粗車時(shí)，硬質(zhì)合金車刀前角的選擇一般在0°到-5°。高速鋼車刀前角一般選擇在5°到10°之間。一般情況下，會(huì)選擇0.05到0.1mm的負(fù)倒棱，負(fù)倒棱角一般選擇在-10°到0°之間，以增加刀刃的強(qiáng)度以及散熱面積。對(duì)于刃傾角的選擇，粗車一般選擇3°到5°的刃傾角，而精車時(shí)一般無刃傾角。對(duì)于主偏角的選擇，粗車時(shí)主偏角應(yīng)該選擇得小些，一般選擇在45°到75°之間，精車時(shí)主偏角一般選擇在75°到90°之間。對(duì)于負(fù)偏角的選擇，很多做鈦合金車削研究的專家，都選擇了15°的負(fù)偏角。對(duì)于刀尖圓弧或過渡刃的選擇，精車時(shí)，刀尖圓角一般選擇在0.5mm左右；粗車時(shí)，可適當(dāng)加大，但不大于1.5mm。對(duì)于刀具角度的選擇一般是基于消除因機(jī)床或工件索統(tǒng)剛性不足產(chǎn)生的振動(dòng)、改善了散熱條件、提高了刀具的耐用度等原則考慮的。

　　4.2 切削用量的選擇

　　對(duì)于切削用量的選擇，不同的加工方式對(duì)切削用量的要求也不同。對(duì)于粗加工，由于對(duì)加工工件的表面質(zhì)量的要求沒有精加工高，主要是為了將工件表面的剩余材料切削掉，對(duì)表面質(zhì)量和幾何尺寸要求都不高。而精車就不一樣了，工件的直徑幾何尺寸要合格，而且對(duì)表面的粗糙度要求也也要合格。所以就需要選擇較大的切削速度，較小的切削深度以及比較小的進(jìn)給量。切削用量的選擇一般如下；

　　粗車：切削速度v=40～50m/min 進(jìn)給量f=0.2～0.3mm/r

　　切削深度ap=3～5mm

　　精車：切削速度v=50～55m/min 進(jìn)給量f=0.1～0.15mm/r

　　切削深度ap=0.2～0.5mm

　　5.結(jié)束語

　　綜上所述，鈦合金由于其優(yōu)良的性能在航空航天工業(yè)以及許多的民用工業(yè)的使用比例逐年增加，但因?yàn)槠淝邢骷庸こ杀痉浅８呷欢庸ば视址浅５偷挠绊懀壳扳伜辖鸬膽?yīng)用受到較大限制。本論文為鈦合金的車削加工為刀具的幾何參數(shù)的選擇和切削用量的選擇提供了參考。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。

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