钛合金的切屑加工工艺综述

科技论坛钛合金的切屑加工工艺综述

裴东王波

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300381

）１钛合金的切屑加工特点钛合金材料由于具有比重小、强度高，特别是在300~400℃高温下仍具有极高强度和抗蚀性等特点，已经成为航空航天工业中最重要的工程材料之一，获得了越来越广泛的应用。

但是，钛合金又是一种典型的难加工材料，切削性能很差。与其它金属材料相比，钛合金有如下切削特点：1.1变形系数小。这是钛合金切削加工的显著特点，由于变形系数小于或接近于1，切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速刀具磨损。1.2切削温度高。由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/5～1/7)，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，切削温度很高。在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上，造成刀具因磨损加剧而报废。1.3单位面积上的切削力大。主切削力比切钢时约小20％，由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。1.4冷硬现象严重。由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损，是切削钛合金时的一个很重要特点。２切屑刀具的选择2.1刀具材料切削加工钛合金为降低切削温度和减少粘结，应选用高温硬度好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料。高速钢由于高温硬度低，耐热性差一般不作选择，但在其中参杂钒、

钴和铝等对高速钢进行改性后得到的高钒高速钢(如W12Cr4V4M o)、高

钴高速钢(如W2M o9Cr4VCo8)或铝高速钢(如W6M o5Cr4V2Al 、M 10M o4Cr4V3Al)等刀具材料，却适于制作切削钛合金的钻头、铰刀、

立铣刀、拉刀、丝锥等刀具。硬质合金刀具应该是较为理想的选则，但其中YT 类硬质合金会与钛合金产生剧烈的亲和作用，加剧刀具的粘结磨损，不宜用来切削钛合金；YG 类硬质合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X 等都是切屑钛合金的较好选择，一般适用于小批量产品的加工。为了满足大批量钛合金产品的加工，最好选择有耐高温涂层的硬质合金刀具，减少由于刀具磨损而必须进行的换刀操作，提高加工效率。2.2刀具参数2.2.1前角γ0：钛合金切屑与前刀面的接触长度短，前角较小时既可增加刀屑的接触面积，使切削热和切削力不至于过分集中在切削刃附近，改善散热条件，又能加强切削刃，减小崩损的可能性。

一般取γ0=5°～15°。2.2.2后角α0：钛合金已加工表面弹性恢复

大、冷硬现象严重，采用大后角可减小对后刀面造成的摩擦、粘附、

粘结、撕裂等现象，以减小后刀面的磨损。各种切削钛合金刀具的后角基本上都大于等于15°。2.2.3主偏角κr 和副偏角κ'r ：切削钛

合金时切削温度高、

弹性变形倾向大，在工艺系统刚性允许的条件下，应尽量减小主偏角，以增加切削部分的散热面积和减小切削刃单位长度上的负荷，一般采用κr =30°，粗加工时取κr =45°。减小

副偏角可以加强刀尖，有利于散热和降低加工表面粗糙度值，一般

取κ'r =10°～15°。2.2.4刃倾角λs ：由于毛坯有硬皮和表层组织不均匀，粗车时切削刃容易崩损，为了增加切削刃的强度和锋利程度，应加大切屑的滑动速度，一般取λs =-3°～-5°，精车时λs =0°。2.2.5刀尖圆弧半径r ε：切削钛合金时刀尖是最薄弱的部分，容易崩掉和磨损，

需磨出刀尖圆弧，

一般r ε=0.5～

1.5mm 。车削时采用负倒棱(b γ=0.

03～0.05mm ，

γ01=-10°～0°)，

断(卷)屑槽的槽底

圆弧半径R n =6～8

mm 。

３切屑参数的选择

钛合金切削加工时，切屑参数的选择一般以采用较低的切削速度、较大的切削深度和进给量为原则。较低的切削速度能够有效降

低切屑刃的温度。有实验数据表明切屑刃在高温段的寿命相比低温段呈现非线性的急速下降，因此降低切屑速度能够延长刀具使用寿命，

提高加工效率。较大的切削深度能够使刀刃避免由于钛合金变形系数小，使前刀面上的滑动摩擦路程大大增大而造成的刀具磨损。同时由于冷硬现象的存在，较大切削深度使刀刃完全进入被切

削的钛合金表面内，有效以防止产生磨损或崩刃现象。

3.1切削速度Vc ：切削速度对刀具耐用度影响最大，最好能使刀具在相对磨损最小的最佳切削速度下工作。切削不同牌号的钛合金，由于强度差别较大，切削速度应在刀具厂商提供的最佳切屑速

度的基础上通过试切试验适当调整。

3.2进给量f ：进给量对刀具的耐用度影响较小，在保证加工表

面粗糙度的条件下，可选较大的进给量，一般取f=0.1～0.3mm/r 。

进给量太小，

使刀具在硬化层内切削，增加刀具磨损，同时极薄的切屑在高的切削温度下容易自燃，因此不允许f<0.05mm/r 。3.3切削深度αp ：切削深度对刀具耐用度的影响最小，一般选用较大的切削深度，

这样不仅可以避免刀尖在硬化层内切削，减小刀具磨损，

还可增加刀刃工作长度，有利于散热，一般取αp =1～5mm 。４切屑液的选择

切削钛合金时，最大的问题就是切屑温度过高对刀具寿命的影响。为了降低切削温度，必须向切削区域内浇注大量的以冷却作用为主的切削液。

切削液应满足导热系数大、比热大、热容量大、汽化热大、汽化速度快、流量大、流速快等要求。一般说来，水比油的导热系数大

3～5倍，比热大1倍，汽化热几乎大10倍左右，故用水溶性切削液

较为合适。车、铣削钛合金时，常采用乳化液，或采用有极压添加剂的水溶性切削液。

极压乳化剂的配方见表1。极压添加剂的水溶性切削液的配方为见表2。对于钻孔、扩孔、铰孔、拉削、攻丝等工序，应该采用润滑作用较大的极压可溶性油作切削液，

如蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油等。冷却润滑的方法最好采用高压喷雾冷却法、高压内冷却法等，这样才可起到良好的冷却、润滑作用。切削液流量不少于15～20L ／min 。

结束语钛合金的切屑加工时除了合理的选择刀具、切屑参数和切屑液等，

同时还应注意切削加工中不能停止走刀，避免引起钛合金的加工硬化而损坏刀具，特别是在铣屑加工时还应多采用顺铣方式，

有效降低刀刃温度。

这些工艺措施的采用都能有效的延长切屑刀具的寿命，极大提高钛合金的切屑加工效率。摘要：论述了钛合金材料在切屑加工过程中的特点，分析了刀具、切屑参数和切削液等方面对钛合金切削加工的影响，总结了适于钛合金加工的切屑加工工艺。

关键词：钛合金；切屑；工艺；刀具；切屑液

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