鈦合金切削加工技術(shù)研究進展

祁志旭，陳興媚

廣東理工學(xué)院工業(yè)自動化系，廣東 肇慶 526114

鈦合金作為正在崛起的“第三金屬”，已然成為新技術(shù)、新設(shè)備不可或缺的金屬材料[1]．至二十世紀50年代發(fā)展鈦合金材料至今，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事及民用工業(yè)等領(lǐng)域，如航天器中的壓力容器、火箭殼體，戰(zhàn)斗機中部分非承力部件的應(yīng)用及人體硬組織的缺陷、創(chuàng)傷修復(fù)等[2]．然而，鈦合金的一些物理及化學(xué)特性導(dǎo)致了其難加工屬性，相對加工性能也只有45鋼的20%～40%[3]，尤其是其切削加工性能與普通金屬(鋁合金、鎂合金、鋼材等)相比存在很大區(qū)別．鈦合金的變形系數(shù)相比與常規(guī)金屬材料而言較小，也使得其切屑與刀具前刀面間的磨損量增加，進而加速對刀具的磨損．鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)較小，在切削過程中容易使得熱量集中切削刃口附近(最高可達1000 ℃以上[3-4])，在高溫環(huán)境下化學(xué)活性較大的鈦合金容易出現(xiàn)表面硬化現(xiàn)象，嚴重影響工件質(zhì)量和刀具壽命．而且，在切削過程中鈦合金與刀具材料容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，較大的切削力和切削溫度使刀具易產(chǎn)生粘結(jié)磨損．

隨著對鈦合金切削加工過程的研究，改變工藝過程和切削條件，切削力、切屑形貌、切削溫度和刀具磨損等方面均呈現(xiàn)出其特有的特征和規(guī)律[5]，這對于鈦合金切削加工技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義．目前，國內(nèi)外學(xué)者針對于鈦合金切削刀具、工藝過程、仿真模擬等方面展開了大量的研究工作，并取得了一定的創(chuàng)新性成果．

簡要介紹了鈦合金材料的性能，對鈦合金加工的切削刀具、工藝設(shè)計、仿真模擬的研究進行了闡述，并對鈦合金切削加工技術(shù)的發(fā)展進行了展望．

1 鈦合金材料的基本性能

相比其他合金，鈦合金具有高比強度、耐腐蝕、輕質(zhì)、耐熱性和耐低溫性等特性(表1)，并且具有超導(dǎo)、貯氫和形狀記憶的特殊屬性[6]．

根據(jù)鈦合金相的相對含量可以把鈦合金分為α型、β型和α+β型，其相應(yīng)的國內(nèi)牌號為TA，TB和TC。α相鈦合金屬于密排六方結(jié)構(gòu)，具有較高的強度、韌性和可焊性，并且在高溫環(huán)境下對氧污染具有明顯的抵抗性、耐磨性高于純鈦、具有較好的切削加工性，但成型能力較差，典型合金有TA7[6-7]．β相鈦合金屬于體心立方結(jié)構(gòu)，在室溫下具有較高的強度、較好的冷成型性，但其熱穩(wěn)定性較差、在成型過程中易受污染而損壞、切削加工性相對較差，使用較少，典型合金有TB1和TB2[6-7]．α+β相鈦合金具有良好的室溫強度和成型性能，材料組織穩(wěn)定，切削加工性能介于α型和β型鈦合金之間，適用范圍廣用量較大，典型合金有TC4[6-7]．

表1 鈦合金材料與其他金屬材料性能對比

鈦合金根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，其研究的側(cè)重點也會有所差異．在航天航空領(lǐng)域中多以材料的比強度、耐熱性、疲勞壽命和韌性等作為研究重點，以發(fā)展綜合力學(xué)性能優(yōu)異的鈦合金材料為目的；在非航空領(lǐng)域中多以材料的可加工性、耐腐蝕性等性能作為研究重點，以發(fā)展成分簡單或低合金化的合金材料為目的[6]．

2 鈦合金切削刀具研究現(xiàn)狀

無論鈦合金材料應(yīng)用于哪些領(lǐng)域，其優(yōu)異的性能使其具備其他材料不可替代的特殊用途，但隨之而來的鈦合金加工問題也成為各國學(xué)者所注意的問題，其中切削加工技術(shù)也是各國學(xué)者所研究的重點之一．

2.1 刀具類型的應(yīng)用現(xiàn)狀

對于鈦合金這類典型的難加工材料，其切削加工性決定了對其切削加工的高要求．而刀具選擇直接決定能否加工鈦合金材料及加工零件的精度質(zhì)量．例如，切削鈦合金過程中在切削刃口附近容易發(fā)生熱量集中，所選刀具需耐高溫．由于鈦合金的親和力較大，切削過程中應(yīng)最大程度減少鈦合金材料與刀具材料發(fā)生擴散等．

2.1.1 高速鋼刀具

一般高速鋼刀具由于耐熱性差而很難勝任鈦合金加工環(huán)境，切削刃口局部高溫會加劇刀具磨損，雖然含鈷高速鋼能夠明顯改善刀具磨損問題但對于鈦合金零件的加工精度難以保證，只能對鈦合金進行粗加工[8-9]．

2.1.2 硬質(zhì)合金刀具

硬質(zhì)合金刀具具有良好的耐熱性、較高的硬度、抗沖擊性和抗破壞性，是鈦合金切削較為理想的刀具類型．但YT類硬質(zhì)合金在高溫環(huán)境下易與鈦合金發(fā)生元素擴散和化學(xué)反應(yīng)，會發(fā)生刀具-工件粘結(jié)現(xiàn)象，加速刀具磨損；而YG類硬質(zhì)合金刀具與鈦合金親和力較小，更加適用于鈦合金切削．其中超細晶硬質(zhì)合金具有更高的硬度和耐熱性，也逐漸應(yīng)用于鈦合金切削加工中；涂層硬質(zhì)合金刀具在涂層的保護下能夠保證較長的刀具壽命，也是目前鈦合金切削應(yīng)用最廣泛的一類刀具[8,10]．

2.1.3 陶瓷刀具

陶瓷刀具具有很高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，但是其耐磨性及抗沖擊性不如硬質(zhì)合金．切削過程中會產(chǎn)生大量的切削熱，一般不用于鈦合金精車工序，以免切削熱影響零件精度；粗車工序的合理利用可大大縮短零件的加工時間，同時切削過程中應(yīng)保持機床主軸轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，進給均勻，杜絕切削過程中的振動現(xiàn)象[8,11]．

2.1.4 超硬刀具

超硬刀具在鈦合金切削中具有良好的應(yīng)用前景，其高硬度、高耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性決定了在切削鈦合金時能夠?qū)崿F(xiàn)高速切削的同時保證較好的工件表面質(zhì)量，是最理想的鈦合金加工刀具，可用于精加工工序及航空航天領(lǐng)域的高精度零件加工．但是超硬刀具的造價一般較高，目前很難大面積普及[8,10]．

2.2 刀具結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

2.2.1 刀具幾何參數(shù)研究

刀具幾何參數(shù)對鈦合金表面質(zhì)量起決定性作用，切削力、排屑效果、刃口強度和加工變形等都與刀具幾何參數(shù)有直接關(guān)系．刀具刃口一般選取圓形或方形的硬性幾何形狀，以增大切削力度；減小刀刃粗糙度，以保證排屑流暢，避免崩刃；采用較小的刀具前角，以增大切屑與前刀面的接觸長度，提高刀具耐用度；后角略大，以減小后刀面與工件表面的摩擦．齊彪[2]在對硬質(zhì)合金刀具參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究時發(fā)現(xiàn)，四刃平頭銑刀切削鈦合金過程中前角和后角的改變，切屑形貌、各向切削力和切削溫度均呈現(xiàn)相應(yīng)的規(guī)律變化，最終確定四刃平頭銑刀的前角為10 °左右，后角為8 ～10 °．張建飛等人[12]以刀具的前角、后角和鈍圓半徑作為刀具幾何參數(shù)變量，設(shè)計了L25(53)正交試驗表，研究發(fā)現(xiàn)：主切削力和切深抗力與幾何參數(shù)之間呈線性關(guān)系，刀具幾何參數(shù)對主切削力及切深抗力影響作用大小分別為前角>鈍圓半徑>后角，鈍圓半徑>前角>后角．

2.2.2 微織構(gòu)刀具研究

刀具表面織構(gòu)是利用電火花、化學(xué)蝕刻或激光等方法在刀具表面加工微米級至納米級不同形狀的微織構(gòu)，該種類型的刀具是通過改善表面摩擦學(xué)特性來實現(xiàn)環(huán)境友好的加工．其主要機理在于微織構(gòu)刀具可減小刀-屑界面接觸長度，進而降低摩擦和切削溫度，微織構(gòu)的存在可減少犁溝和粘結(jié)現(xiàn)象，并且可增加潤滑液的滯留時間和可達性[13-14]．微織構(gòu)刀具作為一種新型刀具，在近些年得到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，從微織構(gòu)對切削力、切削溫度、接觸面摩擦力和刀具磨損等方面均呈現(xiàn)較為積極的創(chuàng)新性成果．S.K.Mishra等人[15]研究了微織構(gòu)密度、深度和形狀對切削力的影響發(fā)現(xiàn)，在干切削中微織構(gòu)的深度和形狀對切削力的影響較小，織構(gòu)密度對切削力的影響較大，并且在仿真結(jié)果中觀察到嚴重影響刀具磨損和加工質(zhì)量的二次切削現(xiàn)象．M.S.Sawant等人[16]對比了凸點織構(gòu)刀具、凹點織構(gòu)刀具和傳統(tǒng)刀具在車削Ti-6Al-4V過程中的切削溫度，其中凸點織構(gòu)刀具相比與其他兩個刀具表現(xiàn)出較低的切削溫度．S.Niketh等人[17]分別對比了刀具的光滑表面、微坑表面和微槽表面的摩擦因數(shù)，相比與光滑表面，微槽和微坑表面的摩擦因素分別降低了14.29%和16.33%．LIU等人[18]在對WC-10Ni-3Al和WC-8Co兩種微織構(gòu)刀具切削鈦合金的研究中指出，WC-10Ni-3Al微織構(gòu)刀具具有較小的磨損，前刀面的微織構(gòu)在較高的切削速度下能夠明顯降低切削力、切削溫度和刀面粘結(jié)現(xiàn)象．

2.2.3 涂層刀具研究

刀具涂層的應(yīng)用也是鈦合金切削刀具的研究重點之一，涂層刀具的出現(xiàn)能夠明顯降低刀具的磨損度、提高刀具壽命，同時也能夠獲得較高的切削速度和進給速度，進而得到更高的加工效率．目前國內(nèi)在鈦合金切削領(lǐng)域中，涂層刀具的研究和使用還處于初期階段，使用率不到國外的一半，但是在不斷對刀具涂層性能的探索和完善中也獲得了一定的創(chuàng)新性成果[19]．對于鈦合金切削用刀具涂層的研究可以集中在多元涂層、復(fù)合涂層和新型超硬涂層等方面，在不斷的研究中改進涂層性能，提高涂層使用壽命．

一般用于鈦合金切削的多元涂層有Ti基多元涂層和Cr基多元涂層．TiN涂層在低速切削時具有較高的壽命，但在高速切削環(huán)境下膜基結(jié)合力較差，容易出現(xiàn)涂層脫落現(xiàn)象．相比與Ti基多元涂層，CrN涂層具有良好的耐磨性、耐腐蝕性，分解溫度也高于TiN，但其切削效果仍不如預(yù)期．應(yīng)用于鈦合金切削環(huán)境的刀具涂層，一般都是在此基礎(chǔ)上添加其他元素后改進的多元涂層．為改善TiN涂層性能，引入C元素形成TiCN涂層，其耐磨性明顯提升，但是力學(xué)性能在高于500 ℃后迅速衰減且容易氧化，從而加速了涂層的破損[20]．TiSiN涂層具有良好的抗氧化性和高硬度，在900 ℃時表現(xiàn)出極佳的抗氧化性和紅硬性，具有同樣優(yōu)異性能的還有TiAlN涂層，其抗氧化溫度可達950 ℃[21-22]．同樣，對于CrN涂層的改進中，Si元素的加入提高了CrSiN涂層的抗氧化性和硬度，CrAlN涂層中由于Al元素的加入提高了涂層的熱穩(wěn)定性，并且在切削鈦合金實驗中CrAlN涂層刀具粘著現(xiàn)象相比于CrN涂層刀具明顯改善[23]．

復(fù)合涂層是在基體表面采用兩種或兩種以上的涂層技術(shù)，利用不同涂層之間的元素優(yōu)勢，形成綜合性能優(yōu)異的涂層．CrCN/CrN及CrA1N/CrN復(fù)合涂層的綜合性能明顯優(yōu)于CrN涂層，并且該涂層刀具壽命相比與單一涂層刀具明顯提升[19]．AlCrN/TiAlN是目前應(yīng)用較為廣泛的一種復(fù)合涂層，在加工鈦合金時表現(xiàn)出優(yōu)越的加工性能[23]．

超硬涂層刀具，更加適用于難加工材料的極端切削條件．現(xiàn)階段超硬涂層材料主要有金剛石涂層、立方氮化硼涂層和類金剛石涂層等．金剛石涂層具有較高的導(dǎo)熱性，是加工鈦合金比較適合的一類涂層材料，但是在較高切削溫度環(huán)境下，金剛石具有較活躍的化學(xué)性質(zhì)，可能會導(dǎo)致涂層分層．劉凱等人[24]研究發(fā)現(xiàn)，利用金剛石涂層刀具高速干銑削TC4時，從切削力、溫度和形成毛刺等方面看，刀具所表現(xiàn)的切削性能并不理想，主要是在高速切削過程中產(chǎn)生的溫度使金剛石涂層石墨化和氧化，加速了刀具磨損．在銑削TC18的過程中，無涂層硬質(zhì)合金刀具崩刃失效，金剛石涂層刀具表現(xiàn)出較長的刀具的使用壽命[25]．立方氮化硼涂層具有高硬度和耐磨性，在切削鈦合金方面的優(yōu)勢也逐漸受到關(guān)注．姜增輝等人[26]對比了PCBN刀具與硬質(zhì)合金刀具在切削速度為135 m/min的條件下干式車削TC4的刀具磨損情況發(fā)現(xiàn)，PCBN刀具表現(xiàn)出更好的刀具耐用度．李甜甜[27]在對Ti6Al4V進行高速切削的過程中發(fā)現(xiàn)，PCBN刀具在高速、低進給、小切深的切削條件下表現(xiàn)出比非涂層硬質(zhì)合金刀具更高的穩(wěn)定性和更長的刀具壽命．

3 鈦合金切削工藝研究現(xiàn)狀

3.1 鈦合金切削參數(shù)優(yōu)化研究

切削參數(shù)對材料的表面質(zhì)量和刀具使用壽命以及生產(chǎn)加工效率具有重要影響，通過優(yōu)化切削參數(shù)，提高鈦合金的加工質(zhì)量．國內(nèi)外學(xué)者對此提出了多種研究方法和評價模型，目的就是為了確定材料的最佳的切削條件．張臣等人[28]提出基于仿真數(shù)據(jù)的數(shù)控銑削加工多目標參數(shù)優(yōu)化方法，將連續(xù)問題轉(zhuǎn)化為離散問題、變參數(shù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為多參數(shù)優(yōu)化問題，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以鈦合金切削為優(yōu)化實例，給出了參數(shù)優(yōu)化后的時間和成本分別減少了25.7%和21.4%，生產(chǎn)效率明顯提升．R.Savaranan等人[29]通過搜索邊界等方法實現(xiàn)了對切削參數(shù)變化對刀具和加工質(zhì)量的影響的研究，切削參數(shù)的優(yōu)化降低了加工誤差，同時也提高了材料的加工精度和質(zhì)量．黃蓓[30]對Ti6Al4V材料分別研究了切削速度、進給量和切削深度對切削力、表面粗糙度、切削溫度等的影響，通過線性回歸的方法建立了表面粗糙度、切削溫度的數(shù)學(xué)模型，并提出了改善鈦合金切削加工性的方法．劉進彬[31]利用正交車銑的方法對TC4進行切削加工，研究了正交車銑參數(shù)對切削力、刀具壽命和工件表面粗糙度的影響，研究結(jié)果表明：對在切削過程中對刀具壽命影響最大的使切削速度，切削深度次之，進給量最??；對工件表面粗糙度的影響大小主次順序為銑刀轉(zhuǎn)速>工件轉(zhuǎn)速>軸向進給量．

3.2 鈦合金切削過程中的冷卻工藝研究

由于鈦合金的變形系數(shù)小、導(dǎo)熱性差等原因，在切削過程中會產(chǎn)生大量的切削熱，當熱量集中達到一定臨界溫度后會加速刀具的磨損，降低產(chǎn)品的表面質(zhì)量．對鈦合金切削過程中進行冷卻是非常必要的工藝步驟，但冷卻的形式和方式也是影響切削效果的關(guān)鍵．一般金屬切削會通過乳化液來降低刀具和加工工件的溫度，以此來降低刀具的磨損，提高刀具壽命．但是對于鈦合金切削來說傳統(tǒng)冷卻工藝很難明顯改善刀具的磨損嚴重及工件表面質(zhì)量低等問題，且隨著綠色加工的概念提出低溫切削、微量潤滑技術(shù)成為研究熱點．

低溫切削技術(shù)是通過冷卻介質(zhì)使加工區(qū)域溫度有效降低的一種技術(shù)．低溫切削技術(shù)不僅可以有效降低切削溫度，同時在冷卻過程中能使材料局部冷脆及增強斷屑頻率，有效提升刀具壽命．目前，主要的低溫切削技術(shù)有低溫冷風(fēng)切削技術(shù)、低溫微量潤滑切削技術(shù)和超低溫切削技術(shù)．易湘斌等人[32]建立了干式和冷風(fēng)條件下硬質(zhì)合金刀具切削TB6材料的多元回歸模型，發(fā)現(xiàn)冷卻方式的變化會導(dǎo)致切削參數(shù)對切削力的影響有所不同，低溫冷風(fēng)條件下刀具磨損有所降低，且切削速度對切削力的影響有所減小．蘇永生等人[33]研究微織構(gòu)硬質(zhì)合金刀具在干切削和低溫微量潤滑條件下切削Ti6Al4V材料的切削性能的變化，結(jié)果表明，微織構(gòu)(溝槽)刀具在低溫微量軟化條件下能夠改善刀具的摩擦性能，切削性能最好．許清等人[34]以液氮作為超低溫冷卻介質(zhì)，在超低溫條件下對TC4進行大進給切削，研究表明：在相比與干切削環(huán)境下，液氮冷卻下的鈦合金切削可減緩熱裂紋的產(chǎn)生，顯著提升刀具耐用度．

結(jié)合目前對于低溫冷卻技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，低溫微量潤滑冷卻和超低溫冷卻環(huán)境下的切削效果要優(yōu)于低溫冷風(fēng)切削[35]．相比與低溫微量潤滑切削技術(shù)，超低溫冷卻切削技術(shù)目前還處于研究初期，雖然減少了切削液的使用，無污染，但是超低溫環(huán)境會使得材料的性能有所改變，可能會導(dǎo)致材料表面加工質(zhì)量降低，如何控制超低溫介質(zhì)的用量、溫度等參數(shù)對切削效果的影響也將成為之后的研究方向之一．

4 鈦合金切削仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀

有限元仿真技術(shù)在切削加工領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真結(jié)果的精確性也在逐漸提高，對實際切削研究具有明顯的指導(dǎo)意義．相比與理論分析和試驗法研究切削加工，其能夠明顯降低試驗成本，縮短研發(fā)周期，并且計算結(jié)果可實時重復(fù)觀察．

一般利用有限元技術(shù)進行鈦合金切削研究，主要是對切削形貌、切削力、應(yīng)力應(yīng)變和磨損度等參數(shù)的預(yù)測，提高具體實驗中的可操作性．Tej Pratap等人[36]對銑削Ti6Al4V材料進行有限元仿真模擬，并對銑削過程中的應(yīng)力分布、溫度分布和切削力進行預(yù)測，并通過實驗驗證了仿真數(shù)據(jù)的有效性．陳國三等人[37]模擬了鈦合金銑削過程中切屑的形成過程發(fā)現(xiàn)，其最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第一變形區(qū)，切削溫度最大值出現(xiàn)在第二變形區(qū)，對切削力的影響最大的使軸向切深．唐柏清[38]基于ABAQUS建立了切削鈦合金硬質(zhì)合金刀具磨損仿真模型并發(fā)現(xiàn)，當切削速度越高刀具磨損越快，刀具越容易失效，同樣也驗證了刀具前刀面的磨損仿真值與實驗值的變化趨勢基本一致，并且切削時間越長，吻合度越高．朱留憲等人[39]基于SPH法建立了鈦合金切削仿真模型，解決了有限元計算中由于網(wǎng)格畸變造成切屑形成困難的問題，也說明了SPH法切削鈦合金仿真的可行性．

5 結(jié) 語

通過對鈦合金切削刀具、切削工藝和仿真技術(shù)的優(yōu)化研究，能夠提高鈦合金的切削性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率．因此，近些年來國內(nèi)外研究者對鈦合金的切削過程展開了廣泛的研究，從刀具類型的選用、刀具宏微觀結(jié)構(gòu)的改變、工藝路線的優(yōu)化等方面揭示鈦合金切削機理以及鈦合金切削過程中的規(guī)律，并取得了創(chuàng)新性成果．

今后對于鈦合金切削的研究中依然以提升鈦合金切削性能為目標，從刀具、工藝、仿真等方面繼續(xù)進行更深層此的研究．

(1)刀具結(jié)構(gòu)方面，提升鈦合金的切削性能可能會繼續(xù)深入研究刀具表面微織構(gòu)的形貌對切削過程的影響，開發(fā)新的微織構(gòu)形貌和微織構(gòu)成形技術(shù)也可能成為之后的發(fā)展方向．

(2)鈦合金切削過程中冷卻工藝也是制約產(chǎn)品質(zhì)量和切削性能的原因，超低溫冷卻切削技術(shù)的進一步發(fā)展也將成為必要，

(3)對于鈦合金仿真模擬的研究主要的重點依然以計算的精確性為目標，盡可能的去預(yù)測接近真實的切削過程．優(yōu)化算法，減小切削變形過程中的網(wǎng)格畸變的可能性可是仿真模擬的發(fā)展方向之一．