鈦合金高效鉆削的實現途徑分析與探索

安天恒

摘 要：目前我國鈦合金加工速度低，使用的切削液對環境污染破壞大，與當前高速＼綠色環保的切削加工趨勢相違背.寶雞作為中國鈦谷，鈦產業的生產力在同行業舉足輕重.尋求高效經濟的加工方式與工藝改進，建立行業刀具修磨中心，依據刀具應用的復雜性，根據刀具失效形式及時修整修磨刀具，跟蹤刀具使用效果，累積數據和經驗，勢必可以取得好的經濟效益。

關鍵詞：鈦合金；鉆削；效率

1 引言

由于鈦合金具有比重小（密度是4.4kg/m3）、比強度與熱強度高、熱穩定性和抗腐蝕性好等優點，可以顯著減輕產品重量，提高推重比、結構的抗熱能力和可靠性，所以在航空、航天、石油、化工、軍工等部門得到廣泛應用。但是其性價比較差，特別是孔加工的效率很低，這在很大程度上制約著鈦合金產品的加工質量和生產效率。

2 鈦合金簡介

鈦合金是利用鈦在不同溫度下形成的兩種不同組織結構，加入不同種類數量的元素，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到的。隨著添加其他合金元素的種類，數量不同，相變、溫度及相分含量也逐漸改變，從而得到不同的鈦合金，室溫下可分為α、（α+β）、β型三種基本組織。[1]

2.1 影響鈦合金切削加工性的因素

鈦合金屬難加工材料。鈦合金的切屑加工性比奧氏體不銹鋼差，退火或固熔處理的鈦合金切削加工性低于高溫合金，而經過時效處理后的鈦合金切削加工性和高溫合金差不多。導致鈦合金切削加工性較差的原因主要有以下幾個[1]：

（1）導熱、導溫系數小，切削溫度高。鈦合金的導熱系數平均是工業純鈦的一半，導溫系數分別為鐵和鋁的1/4和1/16。因此在相同的切削條件下，鈦合金的切削溫度比45鋼高1倍以上。

（2）切削變形系數小，單位面積上的切削力大。鈦合金的切削變形系數小于1或接近1，鈦合金切屑被主切削刃切離后，立即向上翻卷，使切屑與刀具前刀面接觸減小，刀具單位面積上所承受的壓力要比一般鋼材大得多，導致切屑溫度急劇上升。

（3）化學活性大。鈦合金在300℃以上非常容易與刀具材料“親和”，易產生表面變質污染層，導致表層硬度和脆性上升，易使刀具產生缺口、崩刃、剝落等現象，這樣就增加了磨刀次數，延長了停機時間和機床調整時間，降低了生產率。

（4）粘刀現象嚴重。鈦合金材料的粘刀現象嚴重，極容易產生積屑瘤，將引起工件尺寸變化，影響到產品裝配質量，甚至會導致零件報廢。

2.2 刀具材料的選擇

切削加工鈦合金的刀具材料，要求抗變強度高、硬度高、韌性好、熱硬性好、耐磨性好，還要散熱好，切削刀具要求刀面表面光潔，刃口鋒利。對多刃刀具，應控制切削刃的跳動量.目前應用的有：高速鋼、粉末冶金高速鋼、硬質合金及PCD、CBN、金屬陶瓷等超硬材料.

2.3 刀具的修磨及修磨標準

高速鋼刀具由于韌性好，對碰撞不敏感，硬質合金硬而脆，對碰撞敏感，刃口易崩.在刃磨中，對硬質合金的操作和放置十分小心，防止刀具間的碰撞和刀具摔落.高速鋼刀具精度相對較低，價格較低一般由工廠刀具車間進行修磨，硬質合金送專業修磨中心修磨，需要的修磨機床有磨槽機：磨鉆頭等刀具的槽或背.磨頂角機：磨鉆頭的錐形頂角（或稱偏心后角）.修橫刃機：修正鉆頭的橫刃.手動萬能刀具磨床；磨外圓、槽、背、頂角、橫刃、平面、前刀面等.CNC磨床：一般是五軸聯動，功能由軟件確定。一般維修數量大，精度高，但不復雜如鉆頭、鉸刀等。這類磨床主要供應者來自德、美、澳、瑞士和日本。是否擁有一套成熟的修磨標準是衡量一個修磨中心是否專業的標準，在該標準里，規定了不同刀具在切削不同材料時其切削刃的技術參數，包括刃傾角、頂角、前角、后角、倒刃、倒棱等。在硬質合金鉆頭中，使刀刃鈍化的工序叫“倒刃”，倒刃的寬度與被切削材料有關，一般在0.03-0.25mm之間。在棱邊上（刀尖點）倒角的工序叫“倒棱”。HM鉆頭與HSS鉆頭的區別：前者頂角一般是118°，有時大于130°；刀刃鋒利；對精度（刃高差、對稱度、周向跳動）要求相對低。橫刃有多種修法。后者頂角一般為140°，直槽鉆為130°，三刃鉆為150°。刀刃和刀尖（棱邊上）不鋒利，經常被鈍化，或稱倒刃或倒棱，對精度要求高，橫刃經常修磨成S型利于斷屑。

2.4 刀具的檢測

常用對刀儀、投影儀、和萬能刀具測量儀來檢測。對刀儀對加工中心等設備的對刀準備，如長度等，也可以檢測角度、半徑，階梯長等參數，投影儀類似，但是二者均不能檢測刀具后角，而萬能測量儀可以檢測大部分幾何參數，包括后角。刀刃的后角對刀具而言十分重要。后角太大，刃虛易崩、易扎刀；后角太小，則摩擦太大、切削不利。一般而言，后角隨刀具直徑的變大而減小。另外，被切削材料硬，則后角小些，否則，后角大些。

3 鈦合金鉆孔加工工作情況分析

由于鈦合金彈性回彈大，故當鉆頭刀尖接觸工件時，刀尖與工件接觸面積增大，使刀尖受軸向力增大，刀尖易造成磨損和破損。鉆頭進入工件后由于鈦合金的徑向彈性收緊及導熱性能差，使鉆頭受較大徑向及軸向力，普通鉆頭易出現加工困難、磨損加劇的現象。鈦合金化學活性高，在高溫高壓下加工，與刀具材料起反應，形成溶敷，擴散而成合金，造成粘刀具，切屑不易排出，往往產生鉆頭被咬住、扭斷鉆頭等現象。選取專用鈦合金加工的高速鋼鉆頭，通過增厚鉆芯和盡量減小其長度的方法提高剛性。對于數控加工可使用深鉆固定循環指令，使鉆頭鉆入1mm-1.5mm后即退刀，再鉆后再退刀，以改善散熱、潤滑條件及減小彈性力。不允許鉆頭不進給而在孔內打轉，以免引起加工硬化。實際加工中測得孔徑一般都比鉆頭直徑小0.1mm左右，這也是鈦合金材料特性的表現之一，因此鉆孔時可使用比標注直徑大0.1mm左右的鉆頭。鉆孔前需用中心鉆點中心孔，并在對刀機上檢查鉆頭端部，控制刀刃跳動量小于0.02mm。

有螺紋底孔設計的應提出公差要求，在滿足螺紋精度要求的前提下，螺紋底孔盡量加工到螺紋小徑的上差，如有必要鉆孔后可以鉸孔，以滿足公差要求。鈦合金材料鉆孔時需使用比底孔直徑大0.1mm左右的鉆頭，以抵消回彈量。同時需使用鋒利的鉆頭鉆底孔，減小螺紋底孔的表面硬化層。

鈦合金鉆削加工時使用的冷卻液最好不要使用含氯冷卻液。因為在切削過程中，切削液在高溫下分解釋放出氯氣，被鈦吸收后引起氫脆，同時，氯還可能引起鈦合金高溫應力腐蝕開裂。鉆削淺孔時，可使用電解切削液；鉆削深孔時，可用N32機械油加煤油，配比是3：1.5，也可用硫化切削液。適當配置鈦合金加工的冷卻液可延長切削刀具的壽命；另外禁止使用低熔點金屬及其合金（鉛或鋅基合金，銅、錫和鎘及合金）制作的工裝、夾他裝置必須清潔無污垢。加工后的鈦合金表面不允許殘留鉛、鋅、銅、錫和鎘等低熔點金屬。如有殘留，應使用氫氟酸和硫酸亞鐵溶液仔細清洗。裝卸清洗鈦合金工件時，必須防止油脂及指紋污染，以避免發生鹽應力腐蝕，使鈦合金工件斷裂。

4 國外先進經驗和做法

國外主要發展的是涂層刀具和超硬刀具材料[2]。近幾年由于國外涂層工藝和涂層方法的不斷成熟，使得涂層成分不斷復雜和多樣化，甚至針對每一種工件材料都有一種最合適的涂層材料，而且出現了梯度涂層、納米涂層、軟涂層、超硬涂層等性能更好的涂層，所以越來越多的涂層刀具已經在國外應用到鈦合金的高速切削加工中，并顯示了良好的優越性。由于金剛石和立方氮化硼刀具[2]的價格非常昂貴，國內科研單位和企業基本承擔不起，沒有展開深入的研究和廣泛的應用。而國外已經開始了使用金剛石和立方氮化硼刀具高速切削鈦合金的研究和應用。

5 結語

行業的發展對刀具的加工制造不斷提出更高要求，在目前國內投入不足情況下，細分加工情況，建立刀具修磨中心，積累加工數據不失為一個有效解決途徑.

參考文獻

1張春江等 鈦合金切削加工技術 西安：西北工業大學出版社，1986

2 Ezugwu E O，Wang Z M. Tool life and workpiece surface integrity evaluation when machining Ti6AI4V with PVD coated Tools. Surf.Modif. Technol，IOM，1997，10：414-426