1.钛合金的切削加工性

在航空难加工材料中，钛合金的切削加工性劣于不锈钢而优于高温合金。车削这三种材料的试验结果如图1.1所示，刀具材料为YG6。

图1.1高温合金、钛合金和不锈钢材料切削速度与切除体积的关系

在钛合金中，一般来说α型钛合金的切削加工性最好，（α+β）型钛合金次之，β型的切削加工性最差。钛合金切削加工性较差的原因主要包括：

（1）导热、导温系数小，切削温度高

钛合金的导热系数平均是工业纯钛的一半，小于高温合金和不锈钢的导热系数。其导温系数（热扩散率）也很小，分别是铝和铁的1/16和1/4，这是导致切削温度高的主要原因。

（2）切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大

钛合金的切削力虽然只有45钢的2/3-3/4。但由于钛合金切屑与前刀面的接触面更小，仅为45钢的1/2-2/3，故刀尖应力反而很大，约是碳钢的1.3-1.5倍。刀尖附近应力集中，容易磨损甚至损伤。

（3）化学活性高

钛及钛合金高温时化学活性很高，易与空气中的H、O和N起化合作用，从而生成硬脆层，降低钛合金的塑性，并且使切屑与前刀面的接触长度减小，加快刀具的磨损。钛合金也易与刀具材料发生化学反应，或与刀具材料之间发生扩散，使得刀具磨损严重。

（4）摩擦系数大，前刀面摩擦速度高

刀具材料与钛合金间的摩擦系数远大于与碳钢间的摩擦系数。钛合金切屑变形系数远小于其他金属材料，故钛合金切屑沿前刀面的摩擦速度较高。最终导致摩擦功增大，摩擦界面温度升高，刀具易于磨损。

（5）弹性模量小，屈强比大

由于钛合金的弹性模量较小，切削加工后的钛合金零件会产生较大的弹性变形，已加工表面的回弹量较大，很容易导致所加工零件的尺寸超差。此外由于已加工表面大的弹性恢复，使得刀具后刀面与已加工表面的摩擦增加，最终影响加工表面质量。

在实际生产过程中，切削加工钛合金主要存在以下问题：

（1）加工效率较低。飞机上的大部分钛合金零件是薄壁框类零件，多数是采用铣削加工去除大量的钛合金材料，而钛合金是典型的难加工材料，故材料去除率很低。切削钛合金时通常采用高速钢或者硬质合金刀具，一般来说，高速钢刀具的切削速度超过30m/min，硬质合金刀具的切削速度超过60m/min时，刀具磨损加快，切削过程变得困难。钛合金高速切削加工范围一般在100m/min以上，目前，国外铣削加工钛合金水平在100m/min-200m/min范围，国内仅有少数的科研单位和企业开展了初步研究，虽然能够达到高速切削范围，但就钛合金切削加工的整体水平而言，切削速度依然很低，一般100m/min以下，与国外相比还存在很大差距。

（2）钛合金切削加工工艺数据库缺乏。生产过程中，在安排具体工艺和选择切削用量时，通常是凭借经验和“试切”来确定工艺参数，因此亟需商业化的工艺数据库来提供支持。

（3）我国高速加工装备的国产化程度低下，主要包括高速切削用机床、刀具以及切削液，从而制约了钛合金铣削加工水平的提高。

2.切屑形态及成屑机理

钛合金高速切削时产生的切屑呈锯齿状，切屑的形成可以分为两个阶段：①主剪切区产生塑性失稳和应变集中；②随着刀具的向前运动，前刀面前得材料变成切屑。这两个阶段是由于绝热温升引起的热软化效果超过了塑性应变硬化效果而引起的。在中低速下，发生集中剪切主要是由于在第一变形区裂纹的萌生扩展，切削钛合金时，首先在刀尖部位会产生裂纹，进而裂纹会向切屑自由表面扩展，最终形成锯齿状切屑。在高速切削时，由于热软化效应，切削刃切入工件的速度会超越塑性功转化为热量的速度，从而打破了热生成速率与热传导之间的动态平衡，进而形成了锯齿状切屑。车削钛合金时，切削速度对切削力的影响不明显，钛合金车削时，切削加工性差主要是由于切削中产生的高的切削温度所致。因此可以利用小直径的铣刀来高速铣削钛合金。

3.刀具耐用度及刀具磨损机理

采用P类（含TiC和TaC成分）硬质合金刀具切削加工钛合金时，高温下刀具材料中的TiC和TaC会与钛合金发生反应，从而导致刀具磨损加剧。通常在实际加工中，都是采用K类（YG类）硬质合金刀具来加工钛合金。刀具的磨损机理主要表现为：①刀具与工件材料之间发生粘结，在机械（力）作用下刀具表面粘结的钛合金被撕裂带走引起的磨损；②钛合金切削时温度较高，刀具与工件材料之间发生扩散，从而引发的扩散磨损。随着切削速度提高，硬质合金刀具后刀面沟槽磨损加剧，从而导致刀具耐用度急剧下降。在钛合金铣削中，刀具主要由于扩散磨损和粘结撕裂磨损的综合作用而失效。

4.加工表面质量

钛合金高速铣削时，材料的粘结、断裂以及塑性变形是已加工表面主要的缺陷形式，切削用量的合理选择有利于防止此类缺陷的形成，表层主要呈现残余压应力，有利于提高零件的疲劳性能。随着切削速度的提高，已加工表面上产生的微裂纹的尺寸和密度均减小，有利于提高加工表面质量。高压射流压力越大，冷却效果越好，剪切区材料韧性下降，显微硬度峰值越大。高速和常规铣削TC4钛合金材料时，铣削参数对表面质量的影响规律，高速铣削TC4钛合金时，表面质量和加工效率均得到显著改善和提高，适合在飞机薄壁结构件加工中推广应用。

5.超硬刀具高速切削钛合金的研究

超硬材料刀具具有优异的切削性能，在生产中有着广阔的应用前景。目前，在我国超硬刀具材料主要用于汽车和木材加工领域，而在航天领域应用的比较少，而在国外超硬刀具在航天领域中钛合金加工中的应用已经慢慢的开展起来，针对刀具磨损及寿命、切削力和表面质量三个方面，根据刀具材料的切削性能可知，普通PCBN刀具的主要磨损原因为扩散磨损；高温下PCD刀片会与钛合金材料发生化学反应，刀具材料中的C元素和Co元素会扩散到切屑中，从而影响刀具耐用度。PCBN中没有易与钛合金发生反应的Co元素，切屑中没有发现刀具材料中元素的扩散，使得PCBN刀具有更长的刀具耐用度。高压冷却液对刀屑接触面起到润滑和冷却作用，防止了刀屑间的焊接和积屑瘤的产生，从而提高了刀具耐用度和表面质量

在钛合金精加工时，硬质合金和超硬刀具的切削性能对比见表5.1。

可以看出，精加工中，相对于硬质合金刀具而言，在超硬刀具能够在更高的切削速度下切削钛合金，刀具耐用度高，金属去除率大，获得的表面质量较好，因此超硬刀具适合用来高速切削钛合金。

参考文献

[1]陈日曜.金属切削原理.北京:机械工业出版社,1993.

[2]耿国盛.钛合金高速铣削技术的基础研究.南京:南京航空航天大学博士学位论文,2006.

[3]《航空制造工程手册》总编委会主编.航空制造工程手册金属切削加工分册.北京:航空工业出版社,1994.