鈦合金切削磨削加工技術研究進展

徐九華

(南京航空航天大學 機電學院， 南京 210016)

南京航空航天大學高效精密加工技術研究所依托“機械制造及其自動化”國家重點學科，以及國防科技工業“難加工材料加工技術”應用研究中心、江蘇省“精密與微細制造技術”重點實驗室、教育部“高效精密加工技術與裝備”工程研究中心、省部共建“航空航天先進制造技術”協同創新中心等研究基地，在難加工材料及其復雜結構的高性能制造技術領域開展基礎及工程應用研究。研究所科研力量雄厚，被評為“難加工材料的高性能加工技術”教育部創新團隊。現有教授/博導5名、副教授3名，博士后、博士/碩士研究生80余名。在研和完成的項目包括國家973課題、863項目、“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項、“航空發動機與燃氣輪機”國家科技重大專項、民機專項、國防基礎科研計劃項目、國家自然科學基金重點項目等多層次、多類型的科研項目100余項。研究內容涉及高性能釬焊金剛石與CBN超硬磨料工具研制與性能評價、難加工材料加工性評價與工藝優化、難加工材料及其復雜結構高效精密加工工藝、綠色強化冷卻等。團隊研究成果獲國家科技進步二等獎1項，國防及省部級科技獎10余項；發表學術論文300余篇，授權發明專利40余項。部分研究成果已成功應用于航空航天以及民用領域，獲得了顯著的經濟效益與社會效益。

鈦合金是以Ti為主要成分的合金，并含鋁、釩、鐵和錳等元素以提高其性能。根據相組成不同，鈦合金可分為α鈦合金、β鈦合金和α-β鈦合金。其中α-β鈦合金(如Ti-6Al-4V)綜合性能良好，應用最為廣泛。

鈦合金被認為是“輕質、高強、耐熱”材料的典型代表。它的強度高于鋼，密度卻僅約為其60%，并可長期服役于300～350 ℃的溫度環境，加之不同型號鈦合金展現出的在成形和焊接等方面的工藝特點，使鈦合金廣泛應用于工程領域。最具代表性的是航空航天領域：航空發動機的風扇葉片和低壓壓氣機/部分高壓壓氣機的葉片/葉輪/葉盤/機匣、航天飛行器的燃料儲箱和火箭發動機的外殼等重要零部件多采用鈦合金制造。在汽車行業，采用鈦合金制成的發動機氣門/連桿和排氣系統等零部件對車身減重、發動機降噪具有重要意義。得益于突出的生物相容性，鈦合金也成為人體植入物和骨骼修復的首選金屬材料。

然而，由于強度高、導熱系數低和化學活性高等特點，鈦合金的機械加工難度較大，面臨加工效率低、工具磨損快、加工質量差等問題。中外學者對此展開了一系列研究，探討了各典型工藝條件下的鈦合金切/磨削加工特點以及各類工具的應用效果等。通過這些研究，已基本可以形成對鈦合金切/磨削加工特點的較為全面和深入的了解。本文將結合上述方面分析鈦合金的切/磨削研究進展。

1 鈦合金切削/磨削加工存在的主要問題

(1)切/磨削溫度高。鈦合金的強度高、熱強性好，因此在切/磨削過程中會產生大量熱量。然而，鈦合金的熱導率(低于7 W/(m·K))遠低于鋼和鋁合金的；在切/磨削過程中，除部分熱量可通過切/磨屑、切削液和刀具/磨具傳導外，其余熱量中僅少數可及時傳導至工件內部，導致大量切/磨削熱聚積在接觸區。這一方面加快了工具磨損速度，另一方面使工件表面熱影響層變厚，降低零件的力學性能。有時不得不降低加工效率以減弱聚積熱量的不利影響。

(2)工件材料彈性變形大。鈦合金的彈性模量較低，因此在其切/磨削過程中彈性變形較大，制約了加工精度特別是薄壁件加工精度。此外，工件材料的彈性變形和恢復是切削振動的重要誘因。工件材料彈性變形大，則工件材料和刀具/磨粒的接觸面積增大，導致刀具/磨粒的后刀面磨損嚴重。

(3)工具黏附現象嚴重。鈦合金的塑性良好，切削刃和工件材料在接觸壓強的作用下易產生“冷焊”現象，造成工件材料黏附。另外，鈦合金的化學活性高，鈦元素在切/磨削溫度的作用下易與工具材料中的碳、氮等元素以及空氣中的氧元素等發生化學反應，加劇工具與工件材料之間的黏附傾向。黏附的工件材料在剝離時會導致少量刀具/磨粒材料一同脫落。嚴重的黏附現象是導致切/磨削加工鈦合金時工具磨損快的主要原因之一。

2 鈦合金切削加工技術研究進展

2.1 鈦合金的切削加工性

在相同工藝條件下(切削速度100～180 m/min，干切)，Ti-6Al-4V和正火45鋼的車削加工的主切削力相當，前者對應的徑向切削力高15%～30%，切削溫度(700～800 ℃)高約7%。相比之下，濕式切削(5%的乳化液)可使切削力降低約10%，切削溫度降低約5%，同時表面質量也得以改善。

為獲得良好的表面完整性，應合理選擇切削用量。總體而言，切削速度越高，表面硬化越嚴重；進給速度則對硬化程度無顯著影響。切削速度、切深和進給速度的增大均可導致表面粗糙度增大。切削表面易產生一定程度的殘余拉應力，亞表面則多為殘余壓應力；增大進給和切深，表面的拉應力水平和亞表面的壓應力水平越高。出于切削溫度考慮，一般應選用較低的切削速度和較大的切深，同時選用適配的切削液。

2.2 鈦合金切削刀具選擇

切削高溫等引起的刀具快速磨損是鈦合金切削過程存在的主要問題。因此，開發鈦合金切削專用的高性能刀具是未來需要研究的重要課題。

加工鈦合金時，涂層硬質合金刀具和聚晶金剛石(PCD)刀具顯示出優異的切削性能，尤以PCD刀具為最佳；聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具次之；TiC基硬質合金刀具和陶瓷刀具因耐用度低等原因被認為不適用于鈦合金切削加工。PCD刀具與鈦合金切削的高匹配性主要源自其良好的導熱性和極高的硬度：金剛石的導熱系數為硬質合金的數倍，更多切削熱可通過刀具傳導出切削區；極高的硬度則保證了刀具的耐磨性。采用PCD刀具切削鈦合金的刀具耐用度可達硬質合金刀具的數十倍。未來應從刀具制備(焊接、切割和刃磨等)和切削工藝優選(切削用量選擇和切削液供給等)等方面入手，降低PCD刀具切削鈦合金的刀具成本，進一步擴大其應用范圍。

刀具角度方面，一般選擇較小的前角切削鈦合金，以增大切屑與前刀面的接觸長度；同時選擇較大的后角，以減小后刀面與加工表面之間的摩擦。

2.3 鈦合金高速切削技術

高速切削的主要特征是在常規切削的基礎上大幅提高切削速度。“高速”是一個相對概念，具體值取決于工件材料的力學性能等。對鈦合金而言，一般切削速度超過100 m/min即可認定為高速切削。高速切削具有以下優勢：

(1)加工效率高。高速切削一般同時采用高主軸轉速和快進給速度，從而使材料去除率成倍提高，最高可達常規切削的5倍甚至更高。

(2)可提高工件表面質量和加工精度。高速切削時，由于剪切變形區變窄等因素，切削力小于常規切削時的切削力，有利于保證零件尤其是薄壁件的加工精度；同時，大部分切削熱被切屑帶走，傳入工件的熱量比例較低，有助于提高其表面質量和加工精度。

(3)刀具相對壽命長。在高速切削條件下，雖然刀具的使用時長有所下降，但切削效率的提升更為明顯，即等量的刀具磨損可完成更多的切削任務。換言之，刀具的相對壽命得到提升。

(4)高切削速度條件下，切削過程產熱增多。這對機床的冷卻系統以及刀具的耐磨性和熱強性等是一個挑戰。此外，高速切削還要求機床具有較高的剛度和精度等，以充分發揮其工藝優勢。目前美、日、德等國在上述方面的發展水平處于領先位置。

3 鈦合金磨削加工技術研究進展

3.1 鈦合金的磨削加工性

磨削溫度高、磨削力大是鈦合金磨削加工的顯著特點。在普通磨削條件下，Ti-6Al-4V對應的磨削力約為45鋼的1.5～2倍，磨削溫度高約20%～30%，即使采用導熱性好的CBN磨料，磨削溫度亦高達400 ℃。若采用緩進深切工藝磨削鈦合金，切削液難以充分冷卻整個磨削弧區，應格外注意磨削溫度控制。

不同于切削，磨削依靠眾多磨刃的微切削作用去除材料，并且為負前角切削，因此工件材料在磨粒的擠壓和切削等作用下變形較為劇烈，導致磨削表面往往存在較為嚴重的魚鱗狀涂覆等現象。提高磨削速度可通過降低單顆磨粒切厚顯著改善這一問題。在普通磨削條件下，由于磨削溫度較高，磨削后工件表層多為殘余拉應力。例如，采用SiC砂輪在普通磨削條件下加工Ti-6Al-4V時，磨削表面的殘余拉應力高達500 MPa以上。若采用緩進深切磨削工藝，正常磨削時弧區溫度僅約為100 ℃。此時磨削力在殘余應力的形成過程中起主導作用，因此表面多為殘余壓應力。

3.2 鈦合金磨削砂輪選擇

在普通磨料中，SiC磨料與鈦合金間的親和性較低，因此其磨削效果優于剛玉磨料的。若采用剛玉磨料磨削鈦合金，為避免砂輪表面產生大規模的材料黏附，須將磨削速度控制在約10 m/s。在現有磨具技術水平下，普通砂輪磨削鈦合金時砂輪磨損速度較快。例如，采用SiC砂輪在普通磨削條件下加工鈦合金的磨削比僅約為1。選用超硬砂輪時則提升幾十甚至上百倍。此外，相對于普通磨料，超硬磨料的導熱能力顯著增強，因此可以獲得較高的材料去除率。另一方面，采用超硬砂輪磨削鈦合金時可以避免頻繁地修整砂輪，進一步提高磨削加工效率。

即便如此，在工程實踐中，仍多采用普通砂輪加工鈦合金。制約超硬砂輪廣泛應用的原因主要有：(1)砂輪價格昂貴，導致加工成本顯著高于用普通磨料砂輪磨削的成本；(2)砂輪修整難度大。因此，后續研究可重點關注超硬砂輪的制備與修整技術。

3.3 鈦合金磨削溫度控制技術

磨削高溫是抑制鈦合金磨削加工效率的重要原因。對此研究人員從開發新型磨具和改善冷卻方式等方面進行了一系列研究，取得了顯著效果。

南京航空航天大學徐九華團隊將超硬磨料釬焊技術與磨粒有序排布技術相結合，開發出磨粒有序排布釬焊CBN砂輪。該種砂輪磨粒出露高，可提供充足的容屑空間，從而減少磨削(特別是高效磨削)過程中砂輪與工件之間的摩擦。在此基礎上進一步開發了開槽釬焊CBN砂輪，可使更多切削液進入磨削弧區。該型砂輪在降低鈦合金磨削溫度方面顯示出明顯優勢，在大切深的磨削條件下該優勢更為明顯。

在改善冷卻方面，主要有熱管砂輪技術、低溫冷風技術和徑向水射流技術等。例如，熱管砂輪技術基于內冷卻的角度實現對磨削弧區的強化換熱，弧區熱量經熱管迅速疏導，以達到少用或不用切削液的目的；在微量潤滑磨削時采用低溫冷風技術，可以顯著改善磨削弧區的換熱狀況，同時可以降低砂輪黏附程度。

4 TiAl合金切削/磨削加工技術研究進展

TiAl合金是一類特殊的高溫鈦合金。它的服役溫度比普通鈦合金的服役溫度高200 ℃以上，因此擁有廣闊的應用前景。TiAl合金共有4種形態：α2-Ti3Al、γ-TiAl、TiAl3和Ti2AlNb；其中，γ-TiAl因優異的綜合性能得到了廣泛研究。針對該合金的制備方法和材料特性的研究已較為成熟，針對其切/磨削性能有若干研究，現結合其主要材料特點介紹如下。

與普通鈦合金相比，γ-TiAl的塑性較差(室溫延伸率≤2%)。因此，在其切削加工過程中，局部材料可能發生脆性斷裂，在切削表面形成材料剝離和裂紋。根據車削表面的材料剝離和裂紋的形態推測，層片狀顯微結構是引起上述表面缺陷的內因：片狀晶粒之間的晶界在切削力熱的耦合作用下萌生微裂紋并延伸至一定深度，最終導致局部材料被從工件表層“拔出”。磨削的單顆磨粒切厚遠小于切削加工的切厚，磨削表面不存在嚴重的材料剝離和裂紋現象。另外，γ-TiAl的強度低于普通鈦合金的，并且由于鋁元素含量較高(原子數占比一般為42%～48%)，材料的導熱系數有所提升。這對于其切/磨削加工性而言是利好因素。例如，在同一磨削用量水平下磨削加工γ-TiAl和Ti-6Al-4V，前者的磨削比能低，磨削比也顯著更高。

5 鈦基復合材料切削/磨削加工技術研究進展

鈦基復合材料是指在純鈦或鈦合金中添加/原位生成硬質增強相而形成的金屬基復合材料，在某些應用場合也稱為高溫鈦合金材料。它具有比普通鈦合金更高的強度、比模量和更好的抗蠕變性能等，未來有望在航空工業、汽車、船舶等領域獲得廣泛應用。

針對鈦基復合材料切/磨削加工的研究，多集中于擁有良好綜合性能的原位生成顆粒增強(TiC等)的Ti-6Al-4V基復合材料。結果表明，材料強度的提高以及增強相的存在提高了鈦基復合材料的切/磨削加工難度。用PCD刀具切削鈦基復合材料時，刀具磨粒磨損嚴重；切削Ti-6Al-4V時刀具則以黏結磨損和擴散磨損為主。這可導致刀具耐用度相差數倍甚至數十倍。磨削時，鈦基復合材料對應的磨削力高10%～20%，磨削溫度高約10%。

不同于鋁基復合材料，限于當前材料制備技術的發展水平，已有研究涉及的鈦基復合材料增強相體積分數集中于5%～10%。增強相體積分數對材料的切/磨削加工性能存在顯著影響，體積分數越高，切/磨削加工難度越大。因此，在實際應用中，應結合服役環境對材料性能的要求和切/磨削加工成本等因素綜合考慮，做出合理的材料選型。

6 本期論文點評

不同CBN砂輪高速加工PTMCs的磨削性能對比

李 征, 等; 第5頁

鈦基復合材料比鈦合金強度高且可長期服役于500 ℃的高溫環境，有望在航空發動機重要零部件制造方面獲得廣泛應用。作為兼顧高強韌性與高硬度的難加工材料，加工性能差是制約其應用的重要原因。

本文聚焦于鈦基復合材料磨削加工性的表征，從磨削力、磨削溫度和表面質量等方面描述了陶瓷CBN砂輪、電鍍CBN砂輪和釬焊CBN砂輪磨削該材料的難易程度。文章選題具有較強的工程應用價值。論文總結了砂輪種類和磨削用量對磨削結果的影響，并對其作用機制進行了合理分析；研究結論可為鈦基復合材料磨削加工的砂輪優化和工藝優化提供參考。

在后續研究中，可重點關注以下方面：(1)磨削后表層材料的殘余應力和顯微硬度等方面的力學性能變化以及砂輪磨損形式和機理，完善鈦基復合材料的磨削加工性表征；(2)開展鈦基復合材料和鈦合金的磨削加工對比研究，闡明硬質增強相對磨削加工過程的影響機制，為材料設計和加工性改善提供參考。

PCD刀具車削鈦基復合材料刀具磨損的研究

濮建飛, 等; 第11頁

鈦基復材在航空發動機和汽車發動機關鍵零部件制造等方面具有廣闊應用前景。然而，優異的力學性能也導致其切削加工難度較大，其重要表現是刀具磨損速度快，導致加工成本較高。

作者針對刀具磨損問題開展了試驗研究，分析了PCD刀具切削鈦基復材的刀具磨損形式與機理，討論了硬脆增強相含量對刀具磨損的影響。研究獲得的結論可為鈦基復材切削刀具設計提供參考。特別地，作者探討了增強相種類對刀具磨損的影響。這可從機械加工的角度為鈦基復材的增強相選擇提供參考。

刀具磨損是影響切削加工過程的重要因素。文章對刀具磨損的形式和機理作了詳細介紹，但缺乏刀具磨損對切削過程的影響的分析。此外，作者在后續研究中可選用一定幾何參數范圍內的刀具進行切削，以闡明刀具前角、后角等重要參數對加工質量的影響，為刀具幾何參數優化提供指導。

TiAl合金低壓渦輪葉片榫頭磨削溫度場研究

奚欣欣, 等; 第17頁

TiAl合金的密度僅約為鎳基高溫合金密度的一半，服役溫度達700 ℃以上，有望廣泛應用于制造航空發動機的壓氣機和低壓渦輪葉片等重要零件。相比普通鈦合金，關于TiAl合金機械加工的研究尚不夠深入。

磨削燒傷是制約該材料磨削加工效率的主要原因。在成形磨削時，工件各處磨削溫度不一致；若采用試驗的方法測溫，需設置大量測溫點，工作量大且成本較高。因此，本文選擇采用有限元分析的手段進行溫度場分析。文章報道了上述方法的重要細節，包括幾何建模、邊界條件設定和熱源加載方法等，具有較強指導意義；研究獲得的結論可為低壓渦輪葉片榫頭的磨削燒傷預測和磨削工藝優化提供參考。

不同于平面磨削，在成形磨削過程中，切削液對工件各處的冷卻效果存在差異。在以后的研究中應將該點納入考慮，以提高仿真條件與實際磨削過程的接近程度。此外，建議選用多種熱源分布模型開展仿真，并對其結果差異及產生原因做詳細解釋，從而為成型磨削溫度分布和燒傷預測奠定基礎。

冷風微量潤滑納米粒子體積分數對鈦合金磨削性能的影響

王曉銘, 等; 第23頁

磨削溫度高是鈦合金磨削加工過程中存在的主要問題之一。目前常用的降溫方法是加大切削液供給，但對環境污染較為嚴重。若采用固體自潤滑砂輪干式磨削，則存在磨屑不易排出的問題。微量潤滑配合低溫冷風可通過納米粒子減摩等方式降低磨削溫度；同時，壓縮空氣可在一定程度上避免因砂輪堵塞引起的工件表面質量惡化。

本文中對冷風納米粒子微量潤滑磨削技術的降溫效果及其作用機理進行了詳細介紹，分析了納米粒子的體積分數對磨削效果的影響等重要問題。研究結果可以為提高微量潤滑磨削質量、擴展該方法的應用范圍等提供參考。

文中缺乏對磨削后砂輪形貌的描述，以表明在此冷卻潤滑條件下的排屑情況。在后續研究中可拓寬磨削輸入條件范圍，如不同納米粒子種類與幾何參數、更高冷風供應壓力和更大磨削用量，提高冷風納米粒子微量潤滑磨削的材料去除率、改善磨削表面質量。

顆粒增強鈦基復合材料車削試驗研究

霍福松, 等; 第30頁

相比鈦合金，鈦基復合材料比模量高，耐磨性和抗蠕變性能好，有望廣泛應用于航空航天和汽車船舶等行業。但添加硬質增強相也導致其切削加工難度更高。

作者針對這一問題展開研究，具有一定的工程實踐意義。本文從切削力、切削溫度和切削表面粗糙度三方面評價了顆粒增強鈦基復合材料的切削加工性，探討了切削用量對上述加工性指標的影響規律，并在此基礎上獲得了最佳的切削用量范圍。研究結論可為顆粒增強鈦基復合材料的切削參數優選提供參考。

文章并未重點突出硬質增強相對鈦基復合材料切削過程的影響，包括不同切削用量水平下增強相的去除形式和增強相對切屑形成過程的影響等。此外，高速切削具有效率高和刀具相對壽命長等優勢。在后續研究中，作者可針對鈦基復合材料的高速切削加工性開展研究，并以本文的普通切削為對比，闡述高速切削效果的優劣及其原因，以提高鈦基復合材料的切削加工性能。