鈦合金車削加工刀具和切削用量的研究

    學術交流

    作者：遊紅超　袁芬

    【摘要】刀具材料、刀具的幾何角度以及切削用量的選擇對於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、較低的化學活性和較高的導熱係數。

    【關鍵詞】鈦合金；刀具材料；強度；耐磨性

    1.前言

    鈦合金是繼鐵、鋁之後的第三金屬材料，由於鈦合金具有無磁性、抗腐蝕性好、熱強度高、質量輕等優點，最初它在美國的航空航天領域的應用中占有很重要的地位。隨後世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，並相繼對其進行了研究開發，廣泛應用於工業生產、人民的日常生活中。鈦合金在生物醫學方麵有應用，鈦合金在民用領域方麵有應用：鈦合金在自行車行業、汽車行業及體育行業都有廣泛的應用。鈦合金製品應用勢頭發展迅猛的另一行業是汽車業。研發直現今，汽車發動機氣門、曲軸、連杆、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

    根據退火處理後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高速切削鈦合金實驗研究）。

    （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穩定元素Al和中性元素，基本上不含或僅含少量的β穩定元素。廣義上的a鈦合金包括平衡狀態下含有很少β相的近a鈦合金。a鈦合金的特點是組織穩定，高溫性能好，熱穩定性好，是耐熱鈦合會的基礎。但由於其不能承受熱處理強化，因此室溫下強度不是很高。

    （2）β鈦合金

    從β區淬火後能將高溫的β-Ti穩定至室溫即得到β鈦合金或介β鈦合金。廣義上的β鈦合金包含平衡狀態下不含α相的全β鈦合金、具有較少α相的介穩定β鈦合金以及具有較多α相的近β鈦合金。由於β鈦合金體的心立方晶格結構，滑移係多，易產生塑性變形，高溫組織穩定性差。

    （3）α+β鈦合金

    α+β鈦合金是以α相為基體，添加適當的β穩定元素，一般也稱為雙相鈦合金。兩相鈦合金具有較好的綜合力學性能，強度高於α鈦合金，同時又保留了α鈦合金的耐熱性，可進行熱處理強化，熱加工性好。但該類鈦合金組織穩定性相對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，焊接性能會越差。

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

    3.鈦合金切削加工的特點

    鈦合金所具有的一係列物理和化學性能給車削鈦合金帶來了很多困難，

    （1）鈦合金的熱導率很低，切削產生的熱量不易散出。鈦合金的車削過程是一個非線性大應變的過程，會產生大量的熱量，在加工時所產生的高熱量不能有效擴散，同時刀具的切削刃和切屑的接觸長度短，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）鈦合金的化學性能很大。一方麵，高溫下，鈦合金很容易與刀具材料起反應加速了月牙窪的形成。但是鈦合金的切削過程基本上是在高溫下進行的。另一方麵，在較高的切削溫度下，鈦合金容易和空氣中的氧和氮產生化學反應，形成脆而硬的外皮，再加上切削過程中的工件已加工表麵產生的塑性變形也會造成表麵硬化現象，這種現象稱為冷硬現象。冷硬現象不僅降低鈦合金零件的疲勞強度，而且加劇刀具磨損，是切削鈦合金時的一個重要特點。

    （3）變形係數小。這是鈦合金切削加工的顯著性特點，變形係數小於或者接近於l。在加工過程中，切屑與前刀麵接觸的麵積太大，切屑在前刀麵上滑動的距離太長，大大增加了刀具的磨損，同時也提高了切削區的溫度。

    （4）刀具易磨損。毛坯經過衝壓、鍛造、熱軋等工藝處理後，形成硬而脆的不均勻外皮，極易造成崩刃現象，所以切除硬皮成為鈦合金切削過程中最困難的工序。另外，由於鈦合金對刀具材料的化學親和性強，容易出現切削溫度高和單位麵積上切削力大，刀具上容易產生粘結磨損。

    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。因為鈦合金材料比較昂貴，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，但最後的鈦合金的切削用量不高，加工的成本太高。在我國高性能專用機床、刀具的國產化程度比較低，鈦合金車削過程中的切削用量的選擇也很不合理，嚴重製約了我國鈦合金切削加工水平的提高。歸根結底，鈦合金高速切削加工的基礎理論和工藝規範不夠完善，導致高性能機床和刀具無法充分發揮其效能，製約了鈦合金高速切削技術的進一步發展和應用。因此深入研究鈦合金高速切削的機理，並優化工藝參數，是提高鈦合金加工工藝水平的主要措施之一。