鈦合金切削加工特點及刀具材料選用

鈦合金切削加工特點及刀具材料選用鈦合金以優(yōu)異的綜合力學性能、低密度以及良好的耐腐蝕性，被譽為是一種使人類走向太空時代的戰(zhàn)略性金屬材料，不僅在航空航天及軍工領域得到廣泛的使用，而且開始逐漸滲透到經(jīng)濟生活的各個方面。隨著中國航空航天事業(yè)的發(fā)展，鈦合金的加工技術受到更多的關注和研究。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分類，可分成α、α+β、β型鈦合金[1-4]。α型鈦合金密度小，有很好的熱強性和熱穩(wěn)定性，焊接性能好，室溫、超低溫和高溫性能良好，但不能進行熱處理強化。例如TiAl在600℃時，仍然有很高的強度，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)動機渦輪盤和葉片的制造。圖1鈦合金航空發(fā)動機葉輪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，能進行淬火時效使合金強化，熱處理后的強度約比退火狀態(tài)提高50％~100％；高溫強度高，可在400~500℃的溫度下長期工作，其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。α+β型鈦合金中Ti-6Al-4V(中國牌號TC4)是鈦合金中使用量最大的鈦合金，在美國，其產(chǎn)量占鈦合金產(chǎn)量一半以上，以其優(yōu)良的綜合力學性能和切削加工性大量用于航空零件制造[5-9]。圖1為鈦合金航空發(fā)動機葉輪。β鈦合金是β相固溶體組成的單相合金，室溫的強度較高，冷加工和冷成型加工能力強，未熱處理即具有較高的強度，淬火時效后合金強度得到進一步強化，室溫強度可達1372~1666MPa；但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用[10-13]。鈦合金切削加工的特點鈦合金本身所具有的物理和化學性能給切削加工帶來了困難，具體表現(xiàn)有以下6點。（1）鈦合金的導熱性差，是不良導熱體金屬材料。由于導熱、導溫系數(shù)小，是45號鋼的1/6，所以在加工時所產(chǎn)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，導致刀刃的紅硬性下降，刀刃軟化，加快刀具磨損[14]。（2）鈦合金的親和力大。鈦合金在加工中黏刀現(xiàn)象嚴重。增大了刀體與工件的摩擦，摩擦導致大量的熱，降低了刀具的使用壽命。（3）高的化學活性。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，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，刀尖應力變大，同時使前刀面和后刀面與工件的摩擦加劇，這將導致刀刃迅速磨損或崩刃[15]。圖2硬質合金刀具（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，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。按機械加工由易到難排序為：車削、銑削、鉆削、磨削。其中鉆小直徑深孔更困難[16]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今鈦合金研究的熱點。刀具材料的選擇對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具備較高的熱硬度，良好的韌性、耐磨性，高的導熱系數(shù)和較低的化學活性，在銑削時，刀具還應具有良好的抗沖擊性。當今在生產(chǎn)實際中用來加工鈦合金的刀具材料主要有：硬質合金、聚晶金剛石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等。經(jīng)過生產(chǎn)實際驗證，硬質合金和PCD刀具被認為是加工鈦合金比較理想的刀具材料[17]。圖3聚晶金剛石（PCD）刀片1硬質合金刀具硬質合金刀具（見圖2）是目前加工鈦合金應用最為廣泛的一種刀具。因其低廉的價格、優(yōu)良的導熱性、較高的硬度、韌性和紅硬性己成為國內企業(yè)加工鈦合金的首選。硬質合金按晶粒的大小可分為普通硬質合金、細晶粒硬質合金和超細晶粒硬質合金；按化學成分可分為鎢鈷類（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烈的親和力，所以目前在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廣泛應用的仍然是鎢鈷類硬質合金YG8、YG6、YG3等。如果使用添加的稀有金屬的細晶粒硬質合金YA6、YD15、YG10H、YS2等，可提高刀具的壽命和加工效率。硬質合金加工鈦合金速度可以達到45m/min以上[18]，但當切削速度繼續(xù)增加時，刀具和工件接觸面的溫度迅速升高，同時由于Co的熔點較低，在高的切削溫度及元素擴散作用下，造成了刀具材料中W和Co元素的擴散和流失，降低了刀具的硬度和韌性，使硬質合金刀具發(fā)生嚴重的塑性變形、粘結磨損和擴散磨損，導致刀具失效[19]，因此，硬質合金刀具只適合切削速度小于75m/min的鈦合金[20]。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、高導熱系數(shù)、以及與非鐵金屬親和力小等優(yōu)點。金剛石刀具主要有聚晶金剛石（PCD）刀具和化學氣相沉積刀具（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℃，加工時必須進行充分的冷卻和潤滑。試驗表明[21]，在切削速度105m/min的情況下車削鈦合金Ti-6A1-4V時，PCD刀具并沒有發(fā)生粘結磨損，在刀具前、后刀面也都粘有較多鈦合金，這些粘著物會被切屑慢慢帶走，不會圖2硬質合金刀具對切削刃帶來損害，因為在刀具表面會形成一層薄薄的TiC層，這種TiC層很穩(wěn)定，能很大程度降低PCD刀具前、后刀面的粘結和擴散磨損。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。圖4聚晶立方氮化硼PCBN車刀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，但卻遠遠高于其他高硬度材料，而且PCBN刀具熱穩(wěn)定比金剛石高得多，可達到1200℃以上，適合高溫干切削。另一個優(yōu)點是化學惰性大，與鈦合金在1200℃不起化學反應。PCBN刀具加工鈦合金與硬質合金刀具相比，有著切削速度高、表面粗糙度低和刀具壽命長等特點，并且在高速、低進給量、低背吃刀量的條件下，有更長的刀具壽命和非常好的工件加工表面粗糙度[22]，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，在切削加工中應重視刀具可能產(chǎn)生的破損和崩刃問題[16]。鈦合金切削加工的一般原則美國、日本、前蘇聯(lián)從20世紀60年代開始，由于軍事工業(yè)和飛機制造業(yè)的需要，開始對鈦合金的切削加工原則進行系統(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。（1）切削速度：切削速度是影響刀刃溫度的重要因素。過高的切削速度會導致刀刃過熱、刀刃粘結和擴散磨損嚴重，刀具重磨頻繁，會縮短刀具壽命。同時會導致鈦合金工件表面層開裂或氧化，影響其力學性能，所以應在保證較大的刀具耐用度的前提下，選擇適當?shù)那邢魉俣?，降低成本，保證加工質量2）進刀深度和走刀量：走刀量的變化對溫度的變化不大，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，大的切深可以直接切到基體未氧化金屬層，提高刀具的壽命[23]。（3）刀具的幾何角度：在切削鈦合金時選擇與加工方法相適應的前角和后角等幾何參數(shù)并對刀尖適當?shù)奶幚?，會對切削效率和刀具的壽命有重要的影響。試驗證明，當車削時為了改善散熱條件和增強切削刃，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°；當鉆孔時，縮短鉆頭長度、增加鉆心的厚度和導錐量，鉆頭的耐用度可提高好幾倍[24]。（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，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，還可以充當切削過程的潤滑劑，減少鈦合金的切屑和刀具面的黏結，提高效率、降低成本，延長刀具的壽命。但不能使用含有氯或其他鹵元素和含硫的切削液，這類切削液會對鈦合金的力學性能產(chǎn)生不良影響[25]。結束語綜上所述，鈦合金因其優(yōu)良的性能