鈦合金的超高速切削加工技術研究

　　摘 要： 本課題針對鈦合金的難加工性，在闡述影響材料切削加工性因素的基礎上，著重就超高速切削鈦合金的可行性、切削速度范圍，從及刀具的匹配等進行了探索研究。
　　關鍵詞： 鈦合金 超高速切削加工 切削加工性
　　
　　隨著先進制造技術愈來愈廣泛地應用于制造業，超高速切削技術應用于鈦合金的切削加工顯現出了明顯的優越性。本文主要就超高速切削鈦合金過程中對刀具耐用度、加工效率和加工質量等影響極大的刀具材料重點闡述，以尋求刀具與鈦合金的最佳匹配。
　　鈦合金化學親和力大，導熱性差且強度高，使切削溫度大幅提高、刀具磨損加劇，用傳統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、合理制定切削用量、采用適當的切削液等均可在不同程度上提高難加工材料的切削加工性。迄今已經有了一些方法，常用的有專門熱處理、加熱切削、向切削區引入超聲波及振動等。但這些方法普遍存在著效率低、成本高且加工質量難保證等弊端。而超高速切削加工可大幅提高鈦合金加工的生產效率及加工質量。
　　1.超速切削的特點及刀具材料
　　（1）高速切削技術
　　高速切削是一個相對概念，如何定義，目前尚無共識。通常把切削速度比常規高出5—10倍的切削加工叫做高速切削或超高速切削。按不同加工工藝規定的高速切削范圍，車削700—7000m/min，銑削300—6000m/min，鉆削200—1100m/min，磨削150—360m/s，這種劃分比常規切速幾乎提高了一個數量級，而且有繼續提高的趨勢。
　　高速切削技術是在機床結構及材料、機床設計制造技術、高速主軸系統、快速進給系統、高性能CNC控制系統、高性能刀夾系統、高性能刀具材料及刀具設計制造技術、高效高精度測量測試技術、高速切削機理、高速切削工藝等諸多相關硬件與軟件技術均得到充分發展的基礎之上綜合而成的。因此，高速切削加工是一個復雜的系統工程，涉及機床、刀具、工件、加工工藝過程參數及切削機理等諸多方面。
　　該技術為“輕切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap與ae很小。其有以下幾個優點。
　　加工時間短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常規的3—5倍。
　　刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切變形區窄，變形系數ξ減小，切削力降低30%—90%。同時，由于切削力小，讓刀也小，提高了加工質量。
　　刀具和工件受熱影響小。切削產生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度。
　　材料切除率高，工件表面質量好。首先，ap與ae小，工件粗糙度好。其次，切削線速度高，機床激振頻率遠高于工藝系統的固有頻率，因而工藝系統振動很小，十分容易獲得好的表面質量，工件表面鱗刺的高度會顯著降低，甚至完全消失。超高速切削時其進給速度可隨切削速度的提高相應提高5—10倍。這樣，單位時間內材料的切除率可提高3—5倍。
　　高速切削刀具熱硬性好，且切削熱量大部分被高速流動的切屑所帶走，可進行高速干切削，不用冷卻液，減少了對環境的污染，能實現綠色加工。
　　可完成高硬度材料和硬度高達HRC40—62淬硬鋼的加工。如采用帶有特殊涂層（TiAlN）的硬質合金刀具，在高速、大進給和小切削量的條件下，完成高硬度材料和淬硬鋼的加工，不僅效率高出電加工（EDM）的3—6倍，而且表面質量很高（Ra0.4），基本上不用鉗工拋光。
　　（2）超高速切削的刀具材料
　　由于超高速切削的速度比常規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。刀具材料應具備高的耐熱性、抗熱沖擊性，良好的高溫力學性能，以及較高的可靠性。目前國內外用于超高速切削的刀具材料主要有涂層硬質合金、TiC（N）基硬質合金、陶瓷刀具、聚晶金剛石PCD和立方氮化硼等。
　　2.超高速切削鈦合金
　　超高速切削鈦合金是在高應變率響應的作用下，改善其加工性能，從而得到高的加工質量。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鍵技術除了切削速度外，還有刀具主軸單元及進給單元制造技術、機床支承及輔助單元制造技術、加工測試技術等諸多因素。
　　根據鈦合金自身對刀具材料的要求，以及超高速切削對刀具材料提出的特殊要求，研究發現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。
　　PCD刀具的性能很適宜于加工鈦合金，原因有：①很好的導熱性。由于導熱系數及熱擴散率高，切削熱容易散出，故切削溫度低。金剛石的導熱系數為硬質合金的1.5—9倍。②較低的熱膨脹系數。金剛石的熱膨脹系數比硬質合金小得多，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，耐用度為硬質合金刀具的10—100倍，甚至高達幾百倍。
　　3.結語
　　采用超高速切削難鈦合金這一加工材料，解決了常規切削鈦合金的難題，既保證了加工質量，又大幅度提高了生產率，具有良好的發展前景。超高速切削技術用于難加工材料的加工正在逐漸成熟，如何進一步完善超高速切削鈦合金的加工技術，是有待進一步研究的課題。
　　
　　參考文獻：
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