钛合金航空结构件加工刀具现状

刀具是实现钛合金高效高性能加工的关键因素，国内外学者围绕钛合金加工的刀具基体材料、涂层材料以及刀具结构开展了大量的研究工作，取得了诸多创新性的研究成果，促进了钛合金加工技术的进步。

刀具材料与涂层材料

1. 硬质合金刀具材料

硬质合金刀具材料加工性能优异、性价比高，是目前钛合金加工的主要刀具材料。硬质合金刀具性能与晶粒尺寸密切相关，普通硬质合金硬质相粒度为几 μm，细晶粒硬质合金平均粒度在 1.0~1.3μm，而超细晶粒硬质合金粒度达 0.5μm。

2. 刀具涂层材料

涂层硬质合金刀具相比无涂层硬质合金刀具可显著降低钛合金切削过程刀具磨损，提高刀具寿命。根据涂层材料性质，刀具涂层可分为“硬”涂层与“软”涂层。“硬”涂层是指具有高的硬度与耐磨性的涂层材料，适用于钛合金加工刀具的“硬”涂层材料主要有 TiA1N、TiCN、 AlCrN、 Ti6Al等，涂层工艺主要有物理气相沉积法（ PVD）、化学气相沉积法（ CVD）等。

3.超硬刀具材料

国内外学者一直在探寻超硬刀具材料用于钛合金加工，立方氮化硼（ CBN）、聚晶立方氮化硼（ PCBN）以及聚晶金刚石（ PCD）等超硬刀具均可用于钛合金切削。从物理力学性能来看， PCD 刀具硬度最高，达 8000HV，是硬质合金的 5 倍以上；PCBN 硬度为 3000~5000HV，达到硬质合金的 2 倍以上。PCD 刀具导热性优良，导热系数达 500W/（ m·K）以上，是硬质合金的 1.5~9 倍，其数值也远高于 PCBN 刀具。

刀具结构

刀具结构对刀具钛合金的切削性能和刀具寿命均产生重要影响，随着刀具设计理论和制造技术的发展，越来越多的新型刀具结构用于钛合金加工。

1.非对称分布刀具结构

钛合金弹性模量低，加工极易产生切削颤振，采用非对称分布的刀具结构是解决切削颤振问题的有效途径之一。通过改变刀齿分布形式可以得到非对称分布结构铣刀，包括变螺旋角铣刀和变齿距铣刀。皇攀凌等设计了变齿距、变螺旋角与变槽深结构刀具，并研究了不同刀具结构加工钛合金时切削力和振动的变化规律，其研究结果表明螺旋角39°、齿间角 83°~97° 的变齿间角铣刀切削合力与铣削振动较小，最终得到了适用于 Ti-6Al-4V 钛合金加工的变齿距立铣刀刀具结构与优化的切削参数。

2.刀具角度与人口结构

刀具角度、刀齿分布形式及刃口结构是刀具结构设计中需要考虑的重要因素。多数研究工作集中于建立刀具角度与切削力及切削振动映射关系，从而实现刀具几何参数的优化。

刃口结构包括刃口形式与切削刃钝圆半径，刃口结构的选择与加工工况密切相关。刘月萍基于钛合金切削仿真研究了倒棱刃、消振棱、白刃分别与钝圆组合的硬质合金刀具刃口结构对切削力和温度的影响，结果表明钝圆半径 0.02~0.025mm、倒棱刃宽度 0.06mm 的刃口复合结构可以得到最低切削温度。

3.特定加工需求的刀具

构件狭窄槽腔的几何特征，山高公司开发了 JCO710 波纹铣刀， 可获得较长的刀具寿命，适合大轴向切深钛合金的高效粗加工；三菱材料公司专为钛合金叶轮叶片的高效精加工而设计了一种新型六刃锥形圆桶球头铣刀，可以在保持加工表面质量的同时实现高效加工。

4.刀具深冷处理技术

研 究 表 明，切 削 刀 具 在 -80~-196℃的低温下进行深冷处理 24~40h，可以改善刀具切削性能，提高刀具寿命。Strano 等通过试验研究了 -196℃ 液氮低温处理的涂层硬质合金刀具切削性能，发现经过低温处理的刀具基体与涂层材料硬度分别增加 7% 与 11%，当切削钛合金速度在 62~79m/min 时，刀具寿命可以提高 9%~30%。

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