鈦合金銑削加工技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

姜增輝，董濟(jì)超，孔繁雅，周 超

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

鈦合金比強(qiáng)度高、耐蝕性好、熱強(qiáng)度高[1-2]，是制造高溫環(huán)境、易腐蝕環(huán)境下工作零件的理想高強(qiáng)輕質(zhì)材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、武器裝備制造、石油化工及核電裝備等各個(gè)領(lǐng)域[3-5]。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鈦合金可用于制作人工關(guān)節(jié)、人工牙齒等醫(yī)學(xué)修復(fù)及替換材料，及心血管支架上、彈性接骨板、脊柱固定器等多種醫(yī)療器械產(chǎn)品[6]。在武器裝備制造領(lǐng)域，由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)模式需要更好的機(jī)動(dòng)能力，有效地實(shí)現(xiàn)裝備輕量化已經(jīng)成為重要發(fā)展趨勢(shì)，高強(qiáng)輕質(zhì)的鈦合金材料在武器裝備零件、構(gòu)件制造中的應(yīng)用正在得到快速發(fā)展[7-8]。

目前，鈦合金零部件產(chǎn)品價(jià)格普遍較高，除去原材料價(jià)格外，其加工成本是重要的原因之一。

1 鈦合金切削加工的特點(diǎn)

鈦合金是一種典型的難加工金屬材料[9-12]，其在加工時(shí)有如下特點(diǎn)。

1)變形系數(shù)小。與切削普通鋼材相比，切削過(guò)程中切屑在前刀面上流動(dòng)的路程很短，切屑沿前刀面流出過(guò)程中產(chǎn)生的嚴(yán)重摩擦磨損區(qū)十分靠近主切削刃，導(dǎo)致在前刀面上主切削刃附近產(chǎn)生更大的應(yīng)力和更多的切削熱。刃口容易發(fā)生磨損，甚至產(chǎn)生破損。由于前刀面上主要磨損位置十分接近刃口，很難在前刀面上觀察到“月牙洼”磨損。

2)切削溫度較高。原因有2個(gè)方面：1)鈦合金的熱導(dǎo)率很小，通過(guò)被切削工件本身散熱的能力很差；2)切屑與前刀面的接觸區(qū)域非常靠近切削刃，切削熱很難散出，致使切削溫度很高。

3)彈性回復(fù)大。鈦合金彈性模量小，在切削過(guò)程中工件受到切削力的作用容易產(chǎn)生變形，且已加工表面也容易發(fā)生回彈。一方面，切削變形使零件的幾何精度難以保證；另一方面，已加工表面回彈增大了已加工表面與刀具后刀面的接觸面積，增加了后刀面產(chǎn)生的切削力和刀具磨損，且容易引起切削振動(dòng)，降低表面加工質(zhì)量。

4)易于生成加工硬化層。鈦元素在高溫時(shí)化學(xué)活性高，在工件表面容易生成由含Ti化合物組成的硬化層，加劇了刀具磨損。

5)使用硬質(zhì)合金刀具易于發(fā)生粘結(jié)磨損。在鈦的化學(xué)親和作用和高溫高壓作用下，鈦合金切屑容易粘結(jié)在硬質(zhì)合金刀具的刀尖上(見(jiàn)圖1)，并在脫落時(shí)使刀尖產(chǎn)生粘結(jié)磨損。

圖1 鈦合金切削時(shí)刀尖的切屑粘結(jié)

6)切屑易燃。鈦合金燃點(diǎn)低，干切削時(shí)較高的切削溫度容易引燃切屑。尤其應(yīng)注意，高速干銑削時(shí)銑刀如果粘結(jié)大量團(tuán)狀切屑，應(yīng)立即進(jìn)行處理，避免高溫下切屑被引燃而發(fā)生重大事故(見(jiàn)圖2)。

a)銑刀切屑粘結(jié)

b) 粘結(jié)切屑產(chǎn)生燃燒

2 鈦合金銑削加工性研究現(xiàn)狀

鈦合金銑削加工性研究包含切削機(jī)理和銑削性能2個(gè)方面的內(nèi)容，以模擬仿真與切削實(shí)驗(yàn)相結(jié)合為主要研究方法。

2.1 鈦合金切削機(jī)理

鈦合金切削機(jī)理研究主要包括切削區(qū)塑性變形及切屑形成機(jī)理、切削熱的產(chǎn)生及傳導(dǎo)機(jī)理、刀具磨損機(jī)理等。當(dāng)前，航空航天、深海潛航及石化生產(chǎn)等領(lǐng)域裝備制造對(duì)鈦合金性能不斷提出新的要求，新型鈦合金材料不斷涌現(xiàn)，這些新材料切削性能差別較大，深入研究各自的切削機(jī)理是合理選擇切削刀具與工藝的基礎(chǔ)。

鐘鑫等[13]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了切削TC4鈦合金的仿真模型，對(duì)切屑和已加工表面上的晶粒細(xì)化特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)切削速度和切削深度是影響晶粒細(xì)化的主要因素，且對(duì)晶粒細(xì)化呈現(xiàn)負(fù)影響。劉東[14]通過(guò)對(duì)TC4鈦合金切削過(guò)程中鋸齒形切屑形成過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到了切屑由帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X形的臨界切削速度。鋸齒形切屑的形成可導(dǎo)致切削過(guò)程中切削力的波動(dòng)，且波動(dòng)規(guī)律與切屑的鋸齒形變化規(guī)律一致，鋸齒形切屑形成中塑性變形區(qū)的寬度隨切削速度的增加而減小。

2.2 鈦合金銑削性能

鈦合金銑削性能研究主要包括切削參數(shù)、刀具角度對(duì)銑削力、切削溫度、銑削系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特征及已加工件形狀精度、表面質(zhì)量的影響規(guī)律等。由于鈦合金高強(qiáng)輕質(zhì)的特點(diǎn)，大量被用于制造航空航天裝備中的薄壁類零件，且銑削為主要的切削加工方法，研究不同材料類型、不同結(jié)構(gòu)的鈦合金零件銑削性能，對(duì)提高鈦合金零件的切削效率和質(zhì)量有重要意義。

馬堯等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了銑削TC25鈦合金時(shí)主要銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，并建立了預(yù)測(cè)模型，得到了銑削這類鈦合金材料時(shí)降低表面粗糙度的優(yōu)化切削參數(shù)。黃堯等[16]通過(guò)仿真研究了銑削鈦合金時(shí)主要銑削參數(shù)對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)切削深度對(duì)表面殘余應(yīng)力影響較小，切削速度對(duì)表面殘余應(yīng)力影響較大。岳彩旭等[17]通過(guò)為降低銑削鈦合金薄壁件時(shí)的切削顫振，提高已加工件的表面質(zhì)量和加工精度，對(duì)銑削加工的穩(wěn)定域進(jìn)行了研究，得到了穩(wěn)定性葉瓣圖，為提高鈦合金薄壁件銑削加工的質(zhì)量和效率提供了一種方法。

3 適合切削鈦合金的刀具材料

由于鈦合金的材料特性，切削鈦合金的刀具材料至少應(yīng)具有如下性能：硬度高兼?zhèn)涓邚?qiáng)度和韌性；具有較好的耐磨性；刀具材料與鈦元素親合性較低，不與鈦合金材料發(fā)生熔敷、擴(kuò)散。在銑削鈦合金材料時(shí)刀具材料還應(yīng)具有良好的抗熱沖擊性。目前，適合并廣泛應(yīng)用于加工鈦合金的刀具材料主要有硬質(zhì)合金和聚晶金剛石(PCD)。

3.1 硬質(zhì)合金刀具

用于鈦合金切削的硬質(zhì)合金刀具材料，從材料成分上可分為含Ti硬質(zhì)合金(YT類、YW類)和無(wú)Ti硬質(zhì)合金(YG類)，從材料結(jié)構(gòu)上可分為涂層硬質(zhì)合金和非涂層硬質(zhì)合金。

YG、YT和YW三類硬質(zhì)合金刀具在切削鈦合金時(shí)的磨損機(jī)理各不相同，切削速度是影響它們磨損機(jī)理的關(guān)鍵因素。在低速下三類刀具的磨損形式都以黏結(jié)磨損為主，在高速切削時(shí)YG類刀具主要發(fā)生黏結(jié)磨損，YT類和YW類刀具除黏結(jié)磨損外，還會(huì)發(fā)生擴(kuò)散磨損和氧化磨損[18]。在干切削條件下，隨著切削速度增加，YT類刀具耐用度降低最快，YG類刀具的耐用度次之，YW類刀具的耐用度降低最慢。YW類刀具材料在高速切削鈦合金時(shí)展現(xiàn)出更好的切削性能。

硬質(zhì)合金刀具在高速鈦合金銑削過(guò)程中，在刀具磨損初期前刀面會(huì)出現(xiàn)少量的粘結(jié)切屑，隨后黏結(jié)磨損會(huì)使前刀面上出現(xiàn)粘結(jié)凹坑，切削持續(xù)進(jìn)行致使凹坑不斷加大，從而使刀具磨損加劇，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象[19]。

涂層硬質(zhì)合金刀具在高速車削鈦合金時(shí)，其切削性能并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，甚至?xí)葻o(wú)涂層同類材料刀具還差[20]。目前，硬質(zhì)合金刀具大多使用含Ti隔熱涂層，以減少切削熱向刀具傳導(dǎo)，降低刀尖的溫升。由于鈦合金材料自身導(dǎo)熱性能很差，工件的散熱性能大大低于鋼材工件，刀具使用含Ti隔熱涂層后，工件和刀具2條散熱途徑都受到阻礙，切削區(qū)溫度反而更高，使涂層很快被破壞，加劇了刀具磨損。在高速銑削中涂層刀具則比非涂層刀具要表現(xiàn)出更優(yōu)異的切削性能和刀具耐用度。銑削為間斷切削，在高速銑削中，熱沖擊是導(dǎo)致刀具磨損的重要因素，隔熱涂層可有效降低熱沖擊，從而提高刀具的使用壽命。

3.2 聚晶金剛石(PCD)刀具

聚晶金剛石(PCD)刀具切削鈦合金，具有刀具耐磨性好、刀具散熱好、切削力較低等優(yōu)點(diǎn)[21]，比硬質(zhì)合金刀具更適合鈦合金的高速切削，且可得到更好的表面質(zhì)量和加工精度。

采用PCD刀具切削鈦合金時(shí)，刀具磨損機(jī)理為磨料磨損和粘結(jié)磨損，破損機(jī)理主要為微裂紋、剝落、微崩刃和局部碎裂[22]。PCD的金剛石微粒越細(xì)，刀具壽命越高。馮素玲等[23]對(duì)比研究了在200 m/min切削速度下高速銑削鈦合金時(shí)硬質(zhì)合金刀具和PCD刀具的性能，PCD刀具壽命比硬質(zhì)合金刀具增加了4倍左右，且加工后工件表面的粗糙度更小。劉鵬等[24]研究了用PCD銑刀高速銑削TA15鈦合金時(shí)銑削參數(shù)對(duì)銑削力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)軸向切深對(duì)切削力影響最為顯著，而在切削速度50～400 m/min范圍內(nèi)對(duì)切削力影響很小。由此可知，為提高加工精度且不降低切削效率，適當(dāng)降低軸向切深并提高切削速度是個(gè)不錯(cuò)的方法。李飛等[25]對(duì)比研究了采用PCD與硬質(zhì)合金刀具車削TC4鈦合金的表面粗糙度，由PCD刀具加工的表面粗糙度更低，且粗糙度值更容易保持穩(wěn)定，可減少切削時(shí)換刀次數(shù)，提高加工效率。

4 鈦合金銑削新進(jìn)展

4.1 高速銑削技術(shù)

高速銑削材料去除效率高，徑向力較小，工件溫升相對(duì)較低，在對(duì)航空航天裝備制造中大量需求的鈦合金薄壁類零件加工中，可明顯提高工件的加工效率和質(zhì)量，正逐漸在鈦合金零件的切削加工中得到應(yīng)用。

由于鈦合金薄壁件剛度較低，銑削加工時(shí)降低變形敏感方向的切削力，對(duì)于保證零件加工精度和表面質(zhì)量尤為重要。銑削鈦合金時(shí)切削速度對(duì)切削力的影響不顯著，而軸向切深、徑向切深及每齒進(jìn)給量對(duì)切削力影響比較顯著，因此依據(jù)不同薄壁件的結(jié)構(gòu)特征，確定軸向切深、徑向切深及每齒進(jìn)給量對(duì)變形的影響順序，在保證切削效率的前提下合理分配上述切削參數(shù)是高速銑削鈦合金的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容[26-27]。另外，薄壁件銑削容易產(chǎn)生切削顫振，特別是高速銑削深腔結(jié)構(gòu)，較長(zhǎng)的銑刀懸伸和較弱的零件剛度更容易使切削顫振發(fā)生。因此，確定高速銑削鈦合金薄壁件的穩(wěn)定域，合理選擇銑削的主軸轉(zhuǎn)速和軸向切深，使高速銑削過(guò)程更加平穩(wěn)，提高已加工件表面質(zhì)量和刀具使用壽命是高速銑削鈦合金的又一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容[28]。

4.2 低溫冷卻銑削技術(shù)

冷卻方式是影響鈦合金銑削加工效率及成本的重要因素之一。隨著刀具材料性能的不斷提升和對(duì)加工效率要求的不斷提高，銑削鈦合金的切削速度正在大幅提升，傳統(tǒng)的切削液澆注冷卻正面臨難以解決的問(wèn)題。一方面，高速銑削鈦合金時(shí)澆注冷卻的切削液難以進(jìn)入切削區(qū)，切削區(qū)溫度仍然很高，刀具切出后被切削液冷卻后會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱應(yīng)力；另一方面，高溫會(huì)使切削液霧化，產(chǎn)生大量有害氣體，對(duì)環(huán)境造成污染。

為解決上述問(wèn)題，近年來(lái)，以低溫冷卻技術(shù)為核心的綠色銑削技術(shù)得到了快速發(fā)展，其中以低溫微量潤(rùn)滑冷卻(CMQL)、低溫風(fēng)冷、低溫噴霧射流冷卻和液氮冷卻切削技術(shù)最具代表性。在銑削鈦合金時(shí)，切削速度是選擇何種低溫冷卻技術(shù)的重要依據(jù)。蘇宇等[29]在高速銑削TC4鈦合金時(shí)采用低溫微量潤(rùn)滑冷卻，降低了徑向銑削力，減低了刀-屑摩擦，延長(zhǎng)了刀具壽命，取得了不錯(cuò)的加工效果。易湘斌等[30]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了低溫風(fēng)冷和干切削條件下銑削TB6鈦合金的切削力，低溫風(fēng)冷對(duì)降低銑削力效果較為明顯。呂東升等[31]對(duì)低溫噴霧射流在銑削Ti40阻燃鈦合金時(shí)的應(yīng)用進(jìn)行了研究，其使用可有效降低切削溫度，減小后刀面磨損，延長(zhǎng)刀具壽命。陳沖等[32]對(duì)液氮冷卻條件下大進(jìn)給銑削TC4鈦合金進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其比低溫風(fēng)冷有更好地抑制刀具磨損、延長(zhǎng)刀具壽命的效果。

4.3 高效深腔加工技術(shù)

目前，大量航空航天裝備中的鈦合金零件為框架類結(jié)構(gòu)件，其中很多具有側(cè)壁為薄壁的深腔結(jié)構(gòu)。這類深腔在銑削加工中需要采用懸伸較長(zhǎng)的銑刀，銑刀容易產(chǎn)生切削振動(dòng)和“讓刀”現(xiàn)象。為保證加工的表面質(zhì)量和精度，降低振動(dòng)引起的銑刀破損，必須降低進(jìn)給量和切削深度。同時(shí)，鈦合金為難加工材料，切削速度選擇范圍也較低，因此，這類鈦合金深腔結(jié)構(gòu)件加工工時(shí)很長(zhǎng)，大幅增加了這類零件的制造成本。

高進(jìn)給銑削(見(jiàn)圖3)和插銑加工的銑削徑向力大幅降低，可用于鈦合金深腔結(jié)構(gòu)件的高效加工。圖3中，高進(jìn)給銑刀采用很小的主偏角，一般約為10°，銑削時(shí)選用的軸向切深較低。由于切屑的減薄效應(yīng)，在保持切屑厚度不變的情況下，可實(shí)現(xiàn)每齒進(jìn)給量的大幅提高。

圖3 高進(jìn)給銑削

插銑加工(見(jiàn)圖4)利用銑刀軸向進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)完成材料的去除切削[33]，其徑向切削力很小，非常適合深寬比較大的槽腔、葉輪流道的粗開(kāi)加工。

圖4 插銑加工

盡管高進(jìn)給銑削和插銑都可用于深腔的加工，但若要取得較高的加工效率和質(zhì)量，還應(yīng)綜合考慮型腔的結(jié)構(gòu)特征對(duì)二者進(jìn)行取舍。當(dāng)型腔面積較大且側(cè)壁等高時(shí)，高進(jìn)給銑削加工效率更高。凌平等[34]利用高進(jìn)給銑削300 mm×100 mm×290 mm的TC21深腔，對(duì)比插銑加工切削效率有大幅提高。當(dāng)型腔為窄槽或側(cè)壁不等高時(shí)，插銑加工效率更高。李昂等[35]利用插銑加工帶有不等高側(cè)壁的網(wǎng)格狀深腔的大型TC4鈦合金零件，與傳統(tǒng)銑削相比提高了3倍的加工效率。另外，采用插銑進(jìn)行鈦合金零件深腔轉(zhuǎn)角和整體葉輪流道的粗開(kāi)加工，相對(duì)傳統(tǒng)銑削方法也具有很高的切削效率[36-37]。

5 展望

當(dāng)前，在鈦合金銑削加工中主要存在如下瓶頸。

1)高速銑削時(shí)，銑刀承受熱沖擊較為嚴(yán)重，隨著銑削速度的提高，這種熱沖擊導(dǎo)致的刀具磨損、破損被快速放大。

2)受制于切削易振動(dòng)和工件易變形，銑削薄壁件合理選擇切削參數(shù)、提高切削效率較為困難。

近期鈦合金銑削技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)如下幾個(gè)趨勢(shì)。

1)隨著新型鈦合金材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)其切削機(jī)理的研究更為迫切。

2)適合更高速、高效銑削鈦合金的刀具材料和銑刀技術(shù)急需快速發(fā)展。

3)更好適應(yīng)高速銑削鈦合金的切削冷卻技術(shù)不斷出現(xiàn)。

4)插銑、高進(jìn)給銑削等新工藝在鈦合金銑削加工中逐漸得到推廣。