鈦合金材料及其加工刀具參數選擇

孫 敏

(呼和浩特市機械工程職業技術學校，內蒙古 呼和浩特 010050)

鈦合金具有比強度高、耐熱性和耐蝕性好等性能，被廣泛應用于航空航天領域。然而由于其導熱性能差、化學活性高、彈性模量小等特征，切削過程中刀具損耗嚴重,很大程度上制約了它的應用。以下主要論述鈦合金的切削性能和切削參數的設置。

1 鈦合金的切削特效

鈦合金材料的硬度高、強度大，所以要求加工設備的功率大，刀具具有較高的強度和硬度。切削加工時，切屑與前刀面的接觸面積較小，切削刃承受較大的應力，刀尖或切削刃容易被磨損；鈦合金材料的導熱性差，約為鎳的1/4、鐵的1/5、鋁的1/4，切削熱聚集于切削刃附近的一小塊區域內而不易散發，切削區域溫度快速升高，容易造成刀具磨損；鈦合金塑性和切削變形系數都較小，加工時刀具—切屑單位接觸面積上受到的切削力大，而其塑性差，刀具很容易被磨損；由于鈦合金很容易與其他材料親和，在零件加工過程中，隨著切削溫度的升高和切削力的增大，產生的切屑與刀具表面的接觸點相互黏結在一起，刀具產生黏結磨損；鈦合金材料本身模量小、屈強比大，所以切削過程中經常出現回彈、變形、抖動等現象。這樣就是刀具后刀面過度損耗，同時刀具損耗造成零件的過度變形，完成工件的廢品率很高，造成材料的浪費。

2 鈦合金切削加工刀具選擇

2.1 鈦合金切削加工刀具材料

完成鈦合金零件加工時，主要考慮切削溫度和刀具黏結兩個因素，所以刀具的紅硬性和導熱能力要好，抗彎曲能力要強，加工時不易出現刀具與工件相互黏結的現象。通過多年學習與工作經驗積累總結，下列材料適宜加工鈦合金零件。

①對于復雜、多刃刀具可選用高速鋼材料，適于制作切削鈦合金的鉆頭、鉸刀、立銑刀、拉刀絲錐等刀具。含鋁高速鋼牌號W6Mo5Cr4V2Al，高鈷高速鋼牌號W2Mo9Cr4VCo8，粉末冶金高速鋼牌號HRC65270。②加工鈦合金零件常用硬質合金銑刀，粗加工選用YG8、YG8W、YG10H，精加工選用YG8W、YP15(YGRM)。③涂層刀具的優點是其抗黏結性能和抗氧化性能都非常強，因而其抗月牙洼磨損能力和耐磨性能都極強，在鈦合金零件加工過程中可以有效避免發生黏結現象且加工效果較好。④立方氮化硼(CBN)刀具。CBN刀具的優點是硬度和熱硬性極高，在進行淬硬鋼、冷硬鑄鐵和高溫合金等零件的高速精加工和半精加工時，最理想刀具材料是CBN材料。切削中速度最高可達250 m/min，整個加工過程效果較好。⑤聚晶金剛石(PCD)刀具。PCD刀具的優點是硬度高、導熱性好、抵抗磨損性能好及摩擦系數低。PCD刀具可以實現高速、高穩定性、高精度的鈦合金材料加工，且加工效果良好。

2.2 鈦合金切削加工刀具幾何參數

2.2.1 車刀。鈦合金零件切削加工時，刀具的剛性要特別的好，刀具前角、后角要小些。例如完成TC4零件加工，粗加工使用刀具前角適合為0°～3°，精加工時選擇刀具前角的大小適宜8°～15°，過程中出現的切屑形狀為卷曲狀。

如果在切削過程中用到鏜刀或外圓車刀，刀具前角適宜為10°～15°，后角為8°～14°，刀尖圓弧半徑R為0.2 mm～0.6 mm，完成最后一道工序時前角取15°，后角取14°。如果用到螺紋車刀或成型車刀，螺紋刀應選擇前角為0°，后角為10°，成型車刀，應選擇前角為5°，后角為10°。

2.2.2 鉆頭。鉆削時，選擇螺旋角較大的鉆頭，適宜選擇25°～30°，同時要對鉆頭的螺旋槽進行拋光處理，鉆芯厚度約為1/4鉆頭直徑。鉆頭頂角適宜選擇135°～140°，后角為12°～15°，這樣可以增大切削厚度和寬度。

2.2.3 銑刀。對于通用標準銑刀，前角值選擇得小點，而后角值大一點。根據多年的加工經驗，一般選擇前角為6°～8°，后角6°～12°，螺旋角適宜為35°～40°，螺旋角前段為3°，刀尖圓弧半徑R為0.5 mm～0.6 mm的銑刀。

2.2.4 絲錐。為了避免發生“抱錐”現象和刀具斷裂情況的發生，絲錐前角適宜選擇為7°～10°，絲錐后角適宜選擇為6°～12°，校正齒型面鏟后角1°，錐角5°～7°30′。小于M6攻絲，切削錐角度為7°30′的修正齒絲錐。

2.2.5 鉸刀。因為鈦合金材料的彈性模量較小，所以選擇前角為3°～5°的鉸刀加工，后角適宜為10°，切削刃寬度為0.15 mm。

3 鈦合金的切削用量

3.1 車削

用硬質合金YG8車刀加工表面被氧化形成硬膜的鈦合金毛坯件時，粗加工時，切削速度、切削深度和進給量的經驗值為：v=15 m/min～28 m/min,ap=1 mm～3 mm,fr=0.25 mm/r～0.35 mm/r。用硬質合金YG3完成精加工時，切削速度、進給量和切削深度的經驗值為：v=50 m/min～70 m/min,fr=0.1 mm/r～0.2 mm/r,ap=0.3 mm～1 mm。用硬質合金車刀加工TA8，TC3～8工件時的切削速度、進給量見表1。

表1 車削TA8，TC3～8時的切削用量

使用硬質合金YG6X刀具加工TC4材料，TC4材料布氏值是HB320～360,ap=1 mm,fr=0.1 mm/r時的最佳切削速度是v=60 m/min。YG6X刀具車削TC4時，根據進給量的大小確定切削深度和切削速度，見表2，表內個參數值均是工作中的經驗值。

表2 車削TC4時的切削用量

3.2 鉆削

鉆削是完成鈦合金零件加工最難的工序內容，經常會在鉆削中出現燒刀或鉆頭斷裂的情況。以下是多年加工總結的鉆削經驗與推薦方法。

①多退刀，實時清理產生的切屑，認真觀察切屑卷曲的形狀和顏色。如果切屑的形狀呈羽毛狀或顏色發生了改變時，說明刀刃已變鈍，要立刻更換刀具或進行刀刃的磨削。②在完成鈦合金零件的鉆削加工時，要加足量的切削液。③將鉆模固定在臺面上，鉆模的引導作用可使刀具更容易貼近被加工表面，鉆頭稍短一些完成的鉆削效果更好。

3.3 銑削

由于銑削過程不是連續切削完成的，切屑與刀齒親和性強易出現黏結的情況，如果黏結的材料過多還會出現崩刃或損傷刀齒的問題，嚴重地影響了刀具的使用壽命。為了避免這種情況發生，在機床、刀具許可的條件下，優先考慮順時針方向銑削加工。銑削鈦合金時切削用量，見表3。

表3 銑削鈦合金切削用量

3.4 攻絲

鈦合金工件進行攻絲時，最適合采用跳牙絲錐，因為這種絲錐的齒數一般是2～3齒，比標準絲錐的齒數要少。短絲錐的剛性較長絲錐的要好，所以適合選用短絲錐。切削錐的角度可以稍大點，錐度部分的長度一般為3～4扣的螺紋長度。將絲錐的倒錐部分適量的放大一點，以減小倒錐部位與加工表面之間的摩擦。

3.5 磨削

在鈦合金磨削過程中，經常會碰到粘屑堵塞砂輪以及零件表皮被灼傷的現象。解決這個問題，可以采取以下加工方法：砂輪材料選擇碳化硅TL，砂輪硬度值ZR1，砂輪粒度為60，砂輪速度控制在10 m/s～20 m/s，進給量盡量控制的小一點，磨削過程中要進行充分的冷卻，最好選用乳化液。

4 切削液的選擇

完成鈦合金加工時，最關鍵是解決“高溫”這一問題。為了降低刀具表面的溫度，選擇的切削液首先冷卻降溫要特別好，而且具有輔助的潤滑效果。在冷卻液中，水的導熱系數是最大的，比油大3～5倍，比熱值也比油大1倍，汽化熱大出將近10倍，所以用水溶性切削液較適合鈦合金材料的加工。鈦合金車削和銑削加工時，適合選用乳化液，或加有一定量極壓添加劑的水溶性切削液。極壓乳化劑的成分含量,見表4，極壓添加劑的水溶性切削液的成分含量為,見表5。

表4 極壓乳化液配方

表5 水溶性切削液的配方

完成鉆孔、擴孔、鉸孔、拉削、攻絲等工序，適合選用潤滑效果較好的極壓可溶性油作切削液，如硫化油、氯化油、蓖麻油、油酸等。在冷卻過程中，最好采用高壓內冷卻法、高壓噴霧冷卻法，這兩種方法可以提高冷卻與潤滑的效果。切削液流量應不少于15 L/min～20 L/min。

5 結束語

綜上所述，鈦合金材料的切削特效及加工中刀具材料和刀具幾何參數的正確選擇，在進行車削、鉆削、銑削等加工時，切削用量的合理設置及切削液的合理使用；降低了刀具的損耗速度和零件的生產成本，同時提高了加工效率。