航天航空产品中钛合金的铣削新加工技术

　　钛及钛合金因密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温、无磁、焊接性能好等优异综合性能，在航空航天等领域得到越来越广泛应用。但是，钛合金的一些物理力学性能给切削加工带来了许多困难。切削时钛合金变形系数小、刀尖应力大、切削温度高、化学活性高、粘结磨损及扩散磨损较突出、弹性恢复大、化学亲合性高等特点，因此在切削加工过程中容易产生粘刀、剥落 、咬合等现象，刀具温度迅速升高，导致刀具磨损，甚至完全破坏。

　　正因为钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点，从20世纪50年代开始，钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，可以减轻飞机的重量，提高结构效率。在飞机用材中钛的比例，客机波音777为7%，运输机C-74为10.3%，战斗机F-4为8%。但是由于钛合金价格高，耐磨性差等原因，限制了其使用领域。

　　近几十年以来，国内外针对航天航空应用所研究的钛合金等均取得了很大进步，许多合金也得到广泛应用。本文针对航天航空产品中钛合金铣削加工技术进行论述，供同行们参考。

　　1. 钛合金简介

　　钛是同素异构体，熔点为1  720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：

　　（1）α钛合金  它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。

　　（2）β钛合金  它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、 时效后合金得到进一步强化， 室温强度可达1  372～1  666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

　　（3）α+β钛合金  它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%～100%；高温强度高，可在400～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。

　　三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。

　　2. 钛合金铣削加工时切屑的形成

　　由于钛合金工件材料有不同的种类，各种材料的切削加工性不同，切削条件不同，切削变形的程度也就不同，因而所产生的切屑形态也就多种多样。归纳起来，可分为以下四种类型：带状切屑、节状切屑（锯齿状切屑）、粒状切屑及崩碎切屑。锯齿状切屑可导致切削力高频率地周期变化波动，而且会增加刀具磨损速率，降低加工表面质量，甚至会降低零件的加工精度，因此切屑的形成机理研究是有助于加工中其他现象的研究和解释的。

　　（1）切削速度对切屑形成的影响  有研究表明，对于低导热性和高加工特性的钛合金可以在1.5～4  800m/min很宽的切削速度范围内形成锯齿状切屑，随着速度的增加，锯齿化程度加重，直至成分离的单元切屑。

　　在铣削加工中，切削参数中切削速度对于切屑形态具有最重要的影响。切削速度对形成锯齿状切屑的作用，一方面是随着切削速度的提高，应变速度加大，导致脆性增加，易于形成锯齿状切屑；另一方面，切削速度的提高，引起切屑温度的增加，致使脆性减少。因此，提高切削速度对于锯齿状切屑的形成是综合作用的结果。对于锯齿状切屑的形成机理，现有绝热剪切理论（Adiabatic  shear theory）和周期性脆性断裂理论（Periodic  bri t t le fracture）两大理论体系。

　　（2）剪切角对切屑变形的影响  剪切角φ和切削变形有十分密切的关系。φ若减小，切屑便变厚变短，变形系数便增大；相反φ若增大，切屑便变薄变长，变形系数就会减小。切削开始时，随着切削速度的增加，摩擦系数β增加，剪切角φ减小，切屑增加；但是在高速切削范围，随着切削速度的提高，摩擦系数β减小，剪切角φ增大，切削力降低。

　　（3）钛合金切屑的变形系数  切屑变形系数是切削层长度与切屑长度的比值，反映切削过程的塑性变形程度。一般来说变形系数越大塑性变形越大，钛合金的变形系数近似为1，甚至小于1，其原因就是钛合金切削过程中变形不均匀，集中剪切变形生成节状切屑，切屑成锯齿状造成的。　　

　　变形系数对于钛合金切屑来说不能真实反映切削过程中塑性变形的情况，主要是由于钛合金切削过程中变形不均匀，集中剪切变形生成锯齿状切屑造成的。　　

　　3. 铣削中铣刀的磨损原因和机理

　　在钛合金的机械加工过程中，钛合金的铣削比较困难，主要问题是切削区域容易与钛发生粘结，刀齿易崩刃，刀具寿命低。在加工时，铣刀是进行间断加工，铣刀的每个刀齿在铣削一转中只有一段作铣削工作，而其余的过程中切屑都粘附在刀齿上。另外， 切削钛合金时，铣削工作区的温度高达1 200℃以上，   切削力又大，而且切屑和刀具前面接触面积较小，高温集中在一个很小的面积上，这样就容易使刀具磨损。

　　切削钛合金时，刀具磨损主要都是在高温热效应作用下而产生的磨损。铣床大多使用高速钢刀具，由于其切削温度比高速钢和钛合金的粘结温度要低，因而采用高速钢刀具进行切削，粘附磨损不是刀具的主要磨损原因，主要磨损原因是高温热效应作用下，高速钢刀具材料迅速软化，失去硬度和强度而引起，当切削速度较低时，切削温度不高就可以解决高速钢软化问题。而对硬质合金来讲，磨损主要是粘结温度所引起的粘附磨损。

　　铣削加工是不连续的切削过程，断续切削时除了冲击负荷的作用影响刀具的寿命外，还有粘附剥脱磨损，严重影响刀具的寿命。

　　以逆铣为例，切削过程中产生的切屑粘在刀齿前面上，在高的切削热作用下，粘在刀齿上的切屑变软，其硬度也不大。但是当铣刀齿切出工件表面后刀齿不工作，一经冷却，粘在刀齿上受热软化了的切屑也就冷却下来，于是又恢复原来的强度。当下一次（第二转）这个刀齿在切入工件时，这个强度很高的粘在刀齿上的切屑就被硬磁碰掉。在它被碰掉时，就会因与刀齿粘附得很紧而夺取刀具工作面上的金属分子质点（特别是硬质合金刀具），引起刀具工作表面的“剥脱磨损”，甚至引起“崩刀”，使刀具迅速破坏。如果没有崩刀，刀刃还有，但是刀具前角面由于被切屑粘掉一部分，造成粗糙不平，当这带有粗糙不平的表面第二次切入工件时，就会使切屑在工作面上流动困难，产生“停滞”、“集屑”现象，长成刀瘤。无法进行下一次切削。所以在断续切削时容易产生“刀瘤”，而在连续切削时则不容易出现刀瘤，在铣削钛合金时为了减少刀具这种剥脱磨损及崩刀、集瘤等现象可以采用顺铣的方法加以改善。 

　　当采用顺铣时，切削的深度由大变小，切屑由厚变薄，且总是薄的一边最后离开刀齿，切屑容易折断，而且惯性力往往使切屑在冷却之前就和刀齿脱离，因而切屑由于粘附而夺取刀齿工作面的分子就少，刀具寿命自然就会提高了，根据我们的加工经验，顺铣比逆铣刀具寿命要提高1倍多。另外可以采用不对称的立铣方法加工钛合金，刀具寿命可提高2～3倍。 

　　4. 钛合金铣削加工刀具材料选用及切削用量的选取

　　切削加工钛合 金 的 刀 具 材料，要求抗变强度高、 硬度高、韧性好、热硬性好、耐磨性好，还要散热好，决不能用含钛的刀具材料，因为含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲和，加剧刀具磨损。切削刀具要求刀面表面光洁，刃口锋利。对多刃刀具，应控制切削刃的跳动量。

　　切削钛合金时，切削温度高、刀具寿命低，切削用量中切削速度对切削温度的影响最大，因此应力求使所选择的切削速度下产生的切削温度接近最佳范围。高速钢刀具切削钛合金时的最佳切削温度约为480～540℃，硬质合金刀具约为650～750℃。切削钛合金一般采用较低的切削速度、较大的切削深度和进给量。

　　（1）切削速度vc  切削速度对刀具寿命影响最大，最好能使刀具在相对磨损最小的最佳切削速度下工作。切削不同牌号的钛合金，由于强度差别较大，切削速度应适当调整。切削深度对切削速度也有一定影响，应根据不同的切削深度来确定切削速度的大小。

　　（2）进给量f   进给量对刀具的耐用度影响较小，在保证加工表面粗糙度的条件下，可选较大的进给量，一般取f=0.1～0.3mm/r。进给量太小，使刀具在硬化层内切削，增加刀具磨损，同时极薄的切屑在高的切削温度下容易自燃，因此不允许f<0.05 mm/r。

　　（3）切削深度ap  切削深度对刀具寿命的影响最小，一般选用较大的切削深度，这样不仅可以避免刀尖在硬化层内切削，减小刀具磨损，还可增加刀刃工作长度，有利于散热，一般取ap=1～5mm。

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