1.刀具磨损机理分析

1.1粘结磨损

粘结又称作吸附，在合适的作用力和温度下，当两种固体金属间的距离在原子距离范畴以内时会发生结合现象。在金属切削环境中，将由粘附造成刀具磨损的现象称作粘结磨损，又称作冷焊磨损。

在钛合金铣削过程中，钛合金弹性模量小造成加工表面的回弹较大，使刀具的后刀面与已加工表面之间的摩擦和挤压相对较大，钛合金导热系数小造成铣削过程温度很高，刀具后刀面与钛合金材料在高温、高压力的条件下会发生粘结现象，而且随着铣削温度的升高，粘结现象会逐渐的加剧。在钛合金的铣削过程中，粘结现象出现在距切削刃很窄的区域，会加剧刀具的磨损。

1.2氧化磨损

在金属切削过程中，随着切削温度的升高，刀具中的钴元素、钨元素会与大气中的氧元素发生化学反应，生成一层比较软的氧化物被工件或切屑挤压掉而造成的刀具磨损，被称作氧化磨损，氧化物的粘结强度对刀具的磨损具有直接的影响。

在硬质合金刀具铣削钛合金的过程中，由于切削区温度相对较高，钛合金中的钛元素和硬质合金刀具中的钨元素和钴元素会与大气中的氧元素发生反应，形成氧化钛、氧化钨和氧化钴的化合物。钛合金已加工表面的氧化钛会形成一层硬而脆的薄膜，加速刀具磨损。刀具表面粘结的钛合金形成的氧化钛硬度较高，在粘接层脱落时会形成硬度较高的颗粒，造成刀具的磨粒磨损。

1.3扩散磨损

在金属切削过程中，若切削温度达到一定的程度，刀具和被加工材料彼此间的化学元素在固体状态会发生相互的扩散，致使原来材料的结构与成分发生改变，刀具性能会变弱，从而加快刀具磨损的速度。

在钛合金铣削过程中，铣削力和铣削温度很高且应力和温度梯度很大，提供了刀具与钛合金发生扩散反应的条件。一方面材料中的钛、铝、钒等元素会逐渐向刀具中扩散，由于钛元素具有化学活性活泼的特点，钛元素会与刀具中含有的碳元素发生化学反应，生成碳化钛层，在铣削过程中，该碳化钛层会在刀具与工件间的摩擦力作用下被磨掉，新的扩散会继续发生。另一方面刀具中的钴元素向低温区运动，而碳元素向高温区运动，在刀具表面上会形成贫钴富碳的现象，由于钴元素是刀具中的粘结成分，因此贫钴会使刀具粘接强度下降，造成刀具表面形成脆化层，加速刀具的磨损。

2.控制刀具磨损的措施

2.1钛合金加工现场刀具使用存在的主要问题

刀具磨损是制约钛合金加工效率的主要因素，在航空制造业中，切削钛合金的刀具在使用中存在着如下几个问题：

2.1.1工件成本高

因刀具失效带来的工件损坏导致经济损失惊人在航空、航天制造业中，钛合金的应用正在向着更关键、更广泛的方向发展。钛合金毛坯料的生产成本非常高，且大型关键结构件及其毛坯料还需要经过一系列辅助处理工艺，附加成本惊人。在加工过程中，因刀具的使用寿命短且破损规律难以掌控而造成的工件过切或损坏，会给国家带来严重的经济损失，因此，相关技术人员以安全为重，不惜损失效率来确保安全，变相带来的经济损失不可估量。

刀具的快速破损会对工件加工表面质量带来一定的破坏，尤其是残余应力的变化会造成工件内部残余应力的严重不平衡，加工后释放导致工件发生严重变形，工件经常会因难以校正而报废。

2.1.2钛合金加工刀具的消耗巨大

钛合金是典型的难加工材料，刀具在使用过程中极易发生致命性磨损，刀具寿命要比加工铝合金刀具的寿命短的多。在大型航空、航天钛合金薄壁结构件中，钛合金的材料去除率非常高，所以消耗的刀具数量和成本惊人，因国产刀具还不能满足加工的需求，刀具的进口数量庞大，占据很大一部分加工成本。现在钛合金结构件的加工中，为了航空、航天事业的发展，国家在不计成本的消耗刀具，刀具的使用量巨大。

2.1.3加工工艺不合理导致刀具利用不充分

工艺参数选用的合理性决定着刀具使用的效率。在钛合金加工过程中，工艺参数的制定对刀具的使用效率具有重要的影响。钛合金切削加工生产现场工艺参数的选择完全靠工人的生产经验，理论支持并不多，不能完全发挥刀具的潜能。加工工艺系统在实际生产中经常产生共振，造成刀具和工件间的冲击和振动，从而使刀具消耗过快。

2.1.4刀具的磨钝标准不明确

在实际生产中，由于对钛合金切削加工过程中刀具磨损寿命曲线的掌握相对较少，换刀标准很难统一，完全根据工人的经验换刀。若更换刀具的时机把握的过晚或过早会相应的造成工件的超差或刀具的浪费。在高速切削过程中，刀具的突然断裂飞出，对工件和机床会造成一定的损坏，操作者也是更容易受到伤害。

2.1.5国产刀具发展相对滞后

在钛合金加工领域，国产刀具近几年发展比较迅速，但距实际生产需求还有一定的距离。在中国，加工钛合金刀具的市场份额中，国产刀具主要占据了中低档市场，高档刀具几乎全部都要进口，缓解甚至消除对国外刀具的过分依赖是中国科研工作者亟待解决的问题。

3.控制刀具磨损的措施

钛合金本身的弹性模量小、导热性差、化学活性高等特点导致了切削中刀具磨损严重、使用寿命短等不良后果。刀具磨损严重会给钛合金切削加工造成成本高、效率低等不良的影响，因此科学的使用刀具，发挥刀具的最大效用具有重要的现实意义。为了有效地控制刀具磨损过快等相关问题，本文通过对钛合金实际加工现场和本文的多次刀具磨损试验的分析，对钛合金切削过程中刀具磨损的控制，提出如下建议：

（1）在钛合金切削过程中，切削速度始终是影响刀具磨损的主要因素，必须严格控制切削速度范围以达到控制刀具磨损的目的。既使为了保证切削效率，也应该采用低速、大切深的办法来平衡刀具的使用寿命和切削效率间的关系。

（2）整个加工系统的振动是加速刀具磨损的重要原因，应该通过提高机床的刚度和缩短刀具的悬伸量等办法来提高整个加工系统的刚度。

（3）涂层刀具在切削钛合金时性价比相对较高，应尽量使用涂层刀具加工钛合金。

（4）钛合金弹性模量小造成切削加工中回弹量大，刀具磨损严重，所以加工钛合金刀具的后角应该比常规刀具大。

（5）钛合金的切削抗力大，刀具（尤其是刀尖）崩刃现象严重，应选用刀尖钝圆半径合适的刀具加工钛合金。

（6）钛合金加工中切削温度过高是造成刀具磨损的主要原因，所以应该加强钛合金切削加工中的冷却环境，尽量控制切削温度范围。

（7）对每一类型的刀具都应该经过切削试验，优化出能发挥刀具最大潜能的切削参数并将其在实际生产中推广。

结论

本文研究了硬质合金刀具侧铣钛合金过程中主要的破损形式和磨损机理；提出控制刀具磨损的具体措施。

参考文献

[1] 杨荣福，董申，金属切削原理，北京，机械工业出版社，1988.

[2] 周泽华，于启勋，金属切削原理，上海，上海科学技术出版社，1993.

[3] 艾兴，高速切削加工技术，北京，国防工业出版社，2003.

[4] 周泽华，于启勋，金属切削原理，上海，上海科学技术出版社，1993. 

[5]张幼帧，金属切削理论，北京：航空工业出版社，1988, 6.