钛合金零件的车削加工

　　钛合金具有的特殊性能使其应用领域越来越广泛。很高的强度/重量比、极好的韧性和卓越的抗腐蚀性能使钛合金可用于制作医用人体植入件、高尔夫球杆头以及军用装甲等。

　　但是，钛合金零件的车削加工却非常困难，令机械工艺师们望而生畏，他们认为，钛合金的超级性能大大削弱了其可加工的“能力”,使其切削加工极具挑战性。

　　这种看法虽有道理，但并不全面。本文探讨了钛合金的车削加工策略，对机械工艺师们加工这种用途广泛(如赛车零件、水下呼吸装置等)的难加工材料以及应用新的切削技术将有所帮助。

　　钛合金生产商--RTI国际金属公司的高级项目专家BillHeadland指出，虽然许多加工车间将钛合金加工视为畏途，但实际上钛合金包括的品种范围很广，你必须了解你所加工的是哪一种。钛合金的牌号很多，有些牌号加工难度极大，而另一些牌号却并非如此。商用纯钛(CP牌号)是一种非合金材料，通常用于制造医用零件、热交换器和眼镜框架等。CP牌号具有卓越的抗腐蚀性，且相对而言较易加工。但与其它钛合金相比，其强度很低，且又粘又软。

　　在纯钛中加入合金后，改变了其晶相(晶体结构)，也改变了材料的特性和机械加工性。α钛合金和准α钛合金中包含了如镍、铝、钒等添加成份。这些中间牌号钛合金的可切削性相当不错。α-β钛合金牌号可能包含有更多的铝和钒。工业用主流钛合金Ti6Al4V就是一种α-β钛合金牌号，其中包含了约6%的铝和4%的钒。Ti6Al4V及其变种大约占到目前所用钛合金的50%-70%.

　　添加了铁、铬等成分的β牌号钛合金是最难以加工的牌号之一。由于具有高的断裂韧性和优异的抗高周期疲劳性能，β牌号的机械加工性与Hastelloy镍基合金及类似材料相近，其典型的应用实例是制造轻型弹簧，用于触发水下发射战术导弹的可折叠尾翼。

　　各种钛合金呈现出各不相同的切削性能。有人认为，加工一个Ti6Al4V工件所需的时间通常是加工一个钢件的三倍;而有人说，加工一个Ti5553难加工β牌号工件所需的时间则是加工一个Ti6Al4V工件的两倍。

　　在车削加工中，钛合金最重要的特性就是热传导性差。由于切削时产生的高温很难被工件吸收而聚集于刀具切削刃上，过多的热量促使切削刃与切屑之间发生化学反应并产生月牙洼磨损。

　　钛合金还具有加工硬化趋势，因此，通过剪切而不是挤压去除金属至关重要。此外，虽然钛合金具有很高的强度，但同时也具有较低的弹性模量，这就意味着与其它材料相比，钛合金相对更具弹性且更容易离开切削刃(尤其在轻载切削时)。综合考虑钛合金的这些特性，为了成功实现钛合金的车削加工，关键是必须实现切削速度、进给率和切削深度的平衡。

　　切削速度是影响切削热产生的首要因素。山特维克可乐满的车削专家StefanGyllengahm曾经花了三年半时间为工具制造商开发刀具牌号。在此期间，他在实验室进行了Ti6Al4V的切削试验，结果表明，切削速度的选择必须十分小心：在某些情况下，当切削速度提高10%-15%,则刀具寿命会从40件下降为6件，这表明切削速度的调整幅度过大。他还发现，当以不会缩短刀具寿命的切削速度进行车削时，如果提高进给率，则会达到一个有损刀具寿命的临界温度，因为存在一个热量过多的极限范围。

　　刀具几何形状在控制切屑形态以散热方面起着关键作用。较宽和较薄的切屑扩大了正在形成的切屑与切削刃之间的接触面积，从而可减少热量在切削刃的聚集。如果切屑较薄，产生的热量较少，切削速度就可以更快一些。

　　例如，使用具有-5°标准导程角的C型(80°)金刚石刀片进行粗加工时，切屑厚度与进给率大致相等;而采用安装导程角为45°的正方形刀片则可以使被切除的金属(以及切削热)沿着较长的切削刃扩散。圆刀片在理论上将这一概念发挥到了极致(但仅限于切深较小时)。Gyllengahm表示，通常在切深较小时，采用圆刀片可获得很薄的切屑。但是，考虑到具有12.7mm内切圆的圆刀片在切深大于2mm时其有效导程角会减小，因此最好使用方刀片，因为在相同的切深下，方刀片仍然具有45°导程角。

　　Bill Skoretz是Patriot Forge公司加工分部的经理，该公司提供从低合金钢、不锈钢到特殊牌号铝合金、钛合金等各类原材料，有时也会为公司的客户加工钛合金零件。当讨论车削钛合金所面临的挑战时，他重点回顾了车削轧钢机用冷却液喷头的经历。这种耐腐蚀的钛合金牌号具有磨蚀性。由于钛合金具有回弹性，因此必须采用正的刀具几何角度，而且要重视刀具头部的形状。如果刀具的底角或前角过小，刀具就会开始产生拉力，从而带来很多问题。因此，必须在刀具头部正的几何角度与对切削刃的支撑之间找到最佳平衡。

　　Skoretz从历史的角度描述了切削刀具的发展现状。在开发出硬质合金刀具之前，主要采用高速钢刀具来切削钢材。硬质合金刀具的出现使采用正的几何角度成为可能，但机床必须具有足够的功率。负前角刀片只能使钛合金材料发生折叠或挤压，而难以将其切除。但他又警告说，如果刀片的正前角过大，也会对钛合金材料形成拉力。因此，必须在压应力与拉应力之间找到平衡。他提到过去曾使用过在切削刃上制备有0.1mm或0.13mm的T型刃带的刀片，“主要为了刀刃的安全，不能采用太锋利的切削刃，因为它维持不了多久。”他在加工中还采用了油基切削液，但主要是利用其润滑特性而不是冷却能力。

　　其他加工车间也有不同的钛合金车削方法，因为任何材料的去除加工都存在各种不同的解决方案。

　　Rayco Machine公司有30%的业务是加工赛车零件，其中有许多是价格昂贵的钛合金零件，因为顶级赛车队愿意为重量轻、强度高的零件支出额外费用，以使他们的赛车保持在规则允许的最小重量但同时仍能对其整个车身重量的分布保持控制。例如，减小旋转部分和非悬挂部分(如车轮和刹车部件)的质量可以有效提高加速度和操控性能。Rayco公司车削加工的钛合金零件中包括运行于制动钳与转子之间的零件。

　　与Skoretz一样，Rayco公司总裁Greg Cox也表示，为了成功地车削钛合金，需要采用均衡兼顾的方法。他认为，选择切削参数时，很重要的一点就是加工时不能推挤工件材料，否则容易产生加工硬化，给加工造成很大麻烦。Rayco公司通常采用的加工参数为：切削速度120sfm,进给量0.13-0.20mm.

　　切削深度也很重要。同样，适度的切深是最佳选择。Rayco公司采用的最大切深为0.8-1mm.Rayco公司的钛合金零件加工批量可高达200件，但大多是在5-20件之间。Cox表示，Rayco公司也在持续改进工艺，但涉及到切削参数时必须小心谨慎，因为钛合金相当昂贵，不能蛮干以免导致零件报废。钛合金的价格上涨很快，去年从47美元/磅上升到了68美元/磅。钛合金高企的价格也使工件材料的库存紧缩。

　　潜水装备制造商Atomic Aquatics公司的研发和制造分公司总经理Scott Holland表示，用钛合金加工水下呼吸器时，“我们总是试图不断提高加工效率，以缩短加工时间、加工更多工件和延长刀具寿命。”但当他们尝试加工更多零件时，随之而来的是刀具突然折断。因此，Holland希望能达到一个最佳均衡点，但这种均衡并非只是数字与程序。Holland有近十年的钛合金加工经验，他也依赖观察工件和刀具的形态、倾听切削噪声来掌握这种均衡。Holland表示，加工钛合金也可以比较简单，“如果使用锋利的刀具并按自己估计的时间换刀，则只能在有限范围内加工钛合金。你可以按自己的方式进行尝试，但并不一定奏效。钛合金的加工有一定的规律，如果你掌握了这些规律，就可以得心应手。”

　　钛合金日益广泛的应用推动了以高效车削钛合金为重点的切削技术发展。山特维克可乐满公司加工管理与技术支持高级经理Chris Mills强调，车削钛合金时，化学磨损是主要的刀具失效机理，而切削高温加速了化学磨损。

　　当滚烫的切屑划过刀具前刀面时，实际上会从刀片中“拔出”钴。Mills介绍了通过两个步骤来降低切削温度的方法：第一步是利用刀具几何设计(如采用带45°导程角的方刀片或圆刀片)来减薄切屑厚度，以降低切削温度，减少由此引起的月牙洼磨损，最终能够使用较高进给率和延长刀具寿命;第二步是使用具有特殊形态的高压冷却液。这种冷却液不仅具有高压力，而且呈现出非常精确的层流喷射形态，可以在切屑与刀片前刀面之间形成“水楔”,以托起切屑，使其与前刀面的接触最小化，从而避免产生月牙洼磨损。

　　山特维克的这种Jetbreak冷却系统的压力为1000-3000psi,采用直径1.27mm的喷嘴和标准乳化冷却液，它不仅具有冷却作用，而且能产生托起切屑的升力，可降低切屑与前刀面之间的摩擦和温度。使用该系统可使切削速度提高50%.

　　Mills描述了综合采用上述两种降温策略的效果：采用-5°导程角的CNMG刀片以优化的切削参数(切削速度：40m/min,进给率：0.3mm/rev)加工钛合金时，刀具寿命约为20分钟;而采用圆刀片或45°导程角的方刀片进行加工时，可将切削速度提高到50-60m/min,进给率提高到0.4mm/rev,并可保持类似的刀具寿命。由于在相同时间里可以切除更多的工件材料，仅仅采用方刀片就可使生产率翻番，如果再采用高压冷却系统，还可将切削速度再提高50%。

　　高压冷却液必须通过机床主轴内部的通道(而不是外部管道)输送。冷却液流经山特维克Capto快换工具夹头上的一个专用连接器，由Capto控制其压力。在安装机床时，可以很容易地安装这种高压冷却系统。

　　对于经常加工钛合金零件(特别是昂贵的大型航空零部件)的车间，提高50%的生产率值得他们投资购买专用刀具夹头和安装了高压冷却系统的机床。这种高压冷却系统在车削钛合金时具有独特优势，因为不会像加工其它工件材料那样产生月牙洼磨损。