超高速切削技術(shù)在鈦合金切削加工中的應(yīng)用

鈦合金具有比重小、熱強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性好等特性，廣泛用于航空、航天、原子能和化學(xué)工業(yè)中。但該材料切削加工困難，一直以來解決鈦合金加工效率低、表面質(zhì)量差的技術(shù)難題在不斷地探索中，隨著先進(jìn)制造技術(shù)愈來愈廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)，超高速切削技術(shù)應(yīng)用于鈦合金的切削加工顯現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性。

　　1鈦合金的難切削加工性

　　1)影響材料切削加工性的主要因素

　　一般引起難加工材料切削加工性差的原因主要有以下幾種可能因素：①材料中含有硬度很高的質(zhì)點(diǎn)。②硬度或高溫硬度高。③加工硬化大。④導(dǎo)熱性差，切削溫度高。⑤材料強(qiáng)度大，特別是高溫強(qiáng)度大。⑥易與刀具粘接。⑦化學(xué)活性大。被加工材料可能由于上述一種或幾種因素的影響，造成其切削加工性差。

　　2)鈦合金切削加工性

　　a.鈦合金相對切削加工性

　　材料切削加工性常采用一定刀具耐用度下切削某種材料所允許的切削速度來衡量。通常取T=60min，則vT寫作v60，若將硬質(zhì)合金車刀切削碳鋼時(shí)的v60作為基準(zhǔn)，切削其它材料時(shí)允許的切削速度為v60'則v60'同v60的比值稱為該材料相對切削加工性，鈦合金相對切削加工性見表1。表1鈦合金相對切削加工性影響切削加工性的因素硬度高溫強(qiáng)度硬質(zhì)點(diǎn)加工硬化性與刀具粘性化學(xué)親和力導(dǎo)熱性切削加工性相對程度 2 1 1 2 1 4 4 注各項(xiàng)因素惡化切削加工性的相對程度按次序?yàn)?，2，3，4。

　　b.鈦合金切削加工性分析

　　由表1可見，造成鈦合金切削加工性差的主要原因是由于鈦合金的化學(xué)親和力極大及導(dǎo)熱性極差：①化學(xué)親和力大鈦合金在300℃以上高溫下極易與刀具材料“親和”，切削時(shí)刀具材料中的一些元素不是溶于鈦中，便是與鈦起化學(xué)作用。②導(dǎo)熱性差，鈦合金導(dǎo)熱性差，熱擴(kuò)散率很小，切削溫度很高。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)平均為工業(yè)純鈦的一半，導(dǎo)熱系數(shù)為45鋼的1/5～1/7，因而在相同切削條件下，鈦合金的切削溫度比45鋼高1倍以上。③鈦合金切削力雖然不大，約為碳鋼的75%，但切屑與刀具前刀面的接觸長度卻比碳鋼小的多，約為碳鋼的一半，從而切削鈦合金時(shí)刀尖所受的應(yīng)力約為切削碳鋼時(shí)的1.5倍。④鈦合金加工硬化現(xiàn)象并不很嚴(yán)重，約和低碳鋼情況相同。

　　實(shí)驗(yàn)證明，鈦合金強(qiáng)度愈大，其切削加工性愈差；合金中的強(qiáng)化元素Al、Sn、Zr、Fe、Mo、Cr等含量愈多，則合金強(qiáng)度愈高，其切削加工性愈差；鈦中雜質(zhì)氧、氮、碳、氫等產(chǎn)生間隙固溶，使合金強(qiáng)化的能力更強(qiáng)，因而對切削加工性的影響也更大。

　　2鈦合金的超高速切削加工

　　由于鈦合金化學(xué)親和力大，導(dǎo)熱性差且強(qiáng)度高，使切削溫度大幅提高、刀具磨損加劇，用傳統(tǒng)的加工方法難以加工。長期以來，改善鈦合金切削加工性的途徑一直在探索中，合理選擇刀具材料及刀具幾何參數(shù)、合理制定切削用量、采用適當(dāng)?shù)那邢饕旱染�可在不同程度上提高難加工材料的切削加工性。迄今已經(jīng)有了一些方法，常用的有采用專門熱處理、加熱切削、向切削區(qū)引入超聲波及振動(dòng)等，但這些方法普遍存在著效率低、成本高且加工質(zhì)量難保證等弊端。這里介紹適宜于鈦合金加工的可大幅提高生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量的先進(jìn)制造工藝技術(shù)——超高速切削加工。

　　1)超速切削特點(diǎn)及適用范圍

　　超高速切削加工在切削原理上是對傳統(tǒng)切削認(rèn)識的突破,在切削機(jī)理上與常規(guī)切削不一樣,超高速切削有其自身的特點(diǎn)及適用范圍。

　　a.工件溫升小減小工件熱變形

　　超高速切削中，產(chǎn)生的熱量雖多，但由于切屑從工件上切離的速度快，90%以上的切削熱被切屑帶走，傳給工件的熱量很小，工件積累熱量極少，因而切削時(shí)，工件溫度的上升不會超過3℃。

　　b.切削力低

　　由于切削速度高，使剪切變形區(qū)變窄、剪切角增大、變形系數(shù)減小和切屑流出速度快，從而可使切削變形減小、切削力降低比常規(guī)切削力低30%～90%，刀具耐用度提高70%，特別適合于加工薄壁類剛性差的工件。

　　c.材料切除率高加工表面質(zhì)量高

　　超高速切削時(shí)其進(jìn)給速度可隨切削速度的提高相應(yīng)提高5～10倍，這樣，單位時(shí)間內(nèi)材料的切除率可提高3～5倍。另外，隨著切削速度的提高，切屑可以被很快切離工件，故殘留在表面上的應(yīng)力很小，由于切削點(diǎn)溫度的升高，工件表面鱗刺的高度會顯著降低，甚至完全消失。

　　2)超高速切削鈦合金

　　超高速切削鈦合金是在高應(yīng)變率響應(yīng)的作用下，改善其加工性能，從而得到高的加工質(zhì)量。超高速切削鈦合金的速度一般控制在150～1000m/min范圍。

　　超高速切削鈦合金的關(guān)鍵技術(shù)除了切削速度外，還有刀具主軸單元及進(jìn)給單元制造技術(shù)、機(jī)床支承及輔助單元制造技術(shù)、加工測試技術(shù)等諸多因素。本文主要就超高速切削鈦合金過程中對刀具耐用度、加工效率和加工質(zhì)量等影響極大的刀具材料重點(diǎn)闡述，以尋求刀具與鈦合金的最佳匹配。

　　a.超高速切削的刀具材料

　　由于超高速切削的速度比常規(guī)切削速度高幾倍甚至十幾倍，切削溫度很高，因此超高速切削對刀具材料提出了更高的要求主要要求。刀具材料應(yīng)具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學(xué)性能及高的可靠性。目前國內(nèi)外用于超高速切削的刀具材料主要有：涂層硬質(zhì)合金、TiC(N)基硬質(zhì)合金、陶瓷刀具、聚晶金剛石PCD和立方氮化硼等。

　　涂層硬質(zhì)合金刀具涂層刀具是在韌性較好的刀體上，涂履一層或多層耐磨性好的難熔化合物，使刀具既有高的韌性又有很高的硬度和耐磨性，涂層刀具的壽命比未涂層刀具要高2～5倍。

　　聚晶金剛石刀具天然金剛石刀具因性質(zhì)較脆，容易沿晶體的理體面破裂，導(dǎo)致大塊崩刃，很多場合下已被聚晶金剛石(PCD)代替。PCD是以石墨為原料加入催化劑，經(jīng)高溫高壓燒結(jié)而成，具有很好的導(dǎo)熱性和耐磨性及高的硬度。

　　聚晶立方氮化硼刀具聚晶立方氮化硼(PCBN)是在高溫高壓下將微細(xì)的立方氮化硼(CBN)材料通過結(jié)合相燒結(jié)在一起的多晶材料，PCBN刀具既具有CBN的優(yōu)點(diǎn)，也較CBN易制造，所以PCBN得到了很快發(fā)展。PCBN具有很高的熱穩(wěn)定性，可承受1200℃以上的切削溫度，且具有很高的硬度和很高的耐磨性。

　　b.鈦合金對刀具材料的要求

　　按照鈦合金材料自身的加工特性，要求刀具材料應(yīng)具有抗變強(qiáng)度高、硬度高、韌性好、熱硬性好、耐磨性好及散熱性好等性能。

　　除上述外，由于含鈦的刀具材料在高溫下很容易與鈦合金親合，所以決不能用合鈦的刀具材料。

　　c.超高速切削鈦合金與刀具材料的匹配

　　根據(jù)鈦合金自身對刀具材料的要求及超高速切削對刀具材料提出的特殊要求；研究發(fā)現(xiàn)適宜于超高速切削的幾種常用的刀具材料與鈦合金的匹配性存在很大差異，見表2。

　　表2超高速切削常用的刀具材料與鈦合金的匹配

　　刀具材料 PCD涂層 硬質(zhì)合金 PCBN TiC(N)基硬質(zhì)合金 陶瓷刀具

　　匹配性能 優(yōu) 優(yōu) 良 不合適 不合適

　　PCD刀具的性能很適宜于加工鈦合金：①很好的導(dǎo)熱性，由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率高，切削熱容易散出，故切削溫度低，金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5～9倍。②較低的熱膨脹系數(shù)，金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)合金小幾倍，約為高速鋼的1/10。③極高的硬度和耐磨性，金剛石刀具在加工高硬度材料時(shí)，耐用度為硬質(zhì)合金刀具的10～100倍，甚至高達(dá)幾百倍。

　　3結(jié)論

　　采用超高速切削難加工材料鈦合金，解決了常規(guī)切削鈦合金的難題，既保證了加工質(zhì)量又大幅度提高了生產(chǎn)率，具有良好發(fā)展前景。超高速切削技術(shù)用于難加工材料的加工正在逐漸成熟，如何進(jìn)一步完善超高速切削鈦合金的加工技術(shù)，是有待進(jìn)一步研究的課題