發布日期：2024-6-30 12:04:38
1、序言
鈦合金具有比強度高、抗蝕性強和耐高溫等優良性能，被廣泛應用于航空、航天、軍工及生物醫療等領域。隨著工業的發展，傳統行業和一些新興行業對鈦產品需求不斷增加，進而引起鈦產品的毛坯（鈦錠）需求量陡增。同時，對鈦錠的質量要求也越來越高，但鈦錠車削加工困難，給實際生產帶來一些問題，嚴重妨礙生產效率和成材率的提高。
因此，根據鈦錠加工特點研究最佳的刀具參數和切削用量尤為重要。
2、鈦合金切削加工特點
（1）變形系數小鈦合金切削變形系數ε≈1，而普通碳鋼的變形系數ε≈3，在切削過程中，切屑在刀具前刀面接觸時間很短，導致切削力在切削刃附近過于集中，因而加快了磨損。
（2）切削溫度高鈦合金的導熱系數低（約為鋼的1/5），造成切削過程產生的大量熱量集中在刀具與工件擠壓的區域，高溫會加速硬質合金中黏結劑Co的擴散，從而使刀具硬度下降，磨損加劇。
（3）冷硬現象嚴重因為鈦在高溫下化學性質活潑，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮，同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化，加劇刀具磨損。
（4）刀具磨損嚴重由于鈦合金的彈性模量小，約為鋼的1/2，所以使得鈦合金在切削時加工表面的回彈量很大，后刀面與已加工表面的摩擦劇烈，加劇了刀具磨損。
從上述鈦合金加工特點來看，鈦合金在切削過程中需要考慮的條件復雜，其材料是一種非常難加工的材料，其加工也是近年來切削加工領域的熱門課題。
3、鈦錠生產現狀及切削存在問題
（1）鈦錠生產工序目前，國內主要采用真空自耗電弧爐（VAR）熔煉鈦錠。對于普通的鈦錠熔煉，一般都要采用2～3次的熔煉才能完成。下面以生產直徑為720mm的TC4合金錠為例，其生產流程如圖1所示。
流程圖中φ580mm和φ650mm這兩種規格的鈦錠只平頭不剝皮，目的是去除飛邊、錠冠，為熔煉做準備，在φ720mm成品鈦錠的頭、中、尾取屑樣和塊樣。
（2）鈦錠切削存在的問題鈦錠切削過程（見圖2）主要存在以下問題：①導熱性差，刀具磨損嚴重，切削效率低。鈦的導熱性很差，切削時大量的熱集中在刀頭上，刀頭容易磨損。同時，切削過程鈦錠表面冷隔、鼓包、氧化皮、皮下氣孔和組織不均等缺陷及機床的徑向振動，對刀頭沖擊力大，磨損嚴重。在切削過程要不斷更換、磨刀和調整夾持，再加之鈦合金本身難加工，切削速度低。因此，機床一般選剛性好、功率大、間隙小、徑向圓跳動小的重型機床。通常在鈦錠生產周期中，平頭和剝皮加工就占了1/3以上的時間，如生產一只牌號為TC4的鑄錠，機械加工時間約40h，加工TC18、TC21等高強度鈦錠，則需要更長的加工工時。因此，鈦錠機械加工耗時長，嚴重制約著生產效率的提高。②切屑形態不佳。鈦錠切削是以去除余量為目的的粗加工，切削刀具刃傾角一般為λS≤0°。在切削鈦合金錠時由于變形系數小，容易擠裂切屑，微觀形態表現為鋸齒狀形態（見圖2d）。在切削純鈦錠時，容易出現帶狀切屑，體積不易控制，容易纏繞在工件或刀頭上，加速刀具的磨損，且存在一定的安全隱患。鈦錠產生的切屑給搬運、存儲也帶來一定困難。③硬質合金刀具帶來鎢污染風險。目前鈦合金切削使用最普遍的仍是鎢鈷類硬質合金刀具，如YG8。此類刀具中含有85%～95%的碳化鎢和5%～14%的鈷，鈷作為黏結劑金屬，其熔點是3410℃，一旦引入半成品錠中，在熔煉時是不被熔化的（因熔池溫度只有2000℃左右），后期的加工也無法消除。鈦合金廣泛應用于飛機的重要承力構件，由鎢污染造成的質量缺陷，有可能導致災難性的事故。因此，鈦及鈦合金在機械加工過程中，杜絕鎢污染成為評判鈦合金質量的一個重要指標。
鈦錠切削過程引入鎢污染有兩方面原因：一是切削刃崩裂嵌入鈦錠表面；二是刀具切削過程刀具的磨損擴散到鑄錠表面。在平頭工序中，因錠冠的厚薄不一，凹凸不平（見圖2a），切削時造成的間歇性交變沖擊力，更容易發生以上兩種情況。因此，對刀具參數和切削用量選擇要謹慎對待。④冷硬現象比較嚴重。鈦在高溫下性質活潑，在較高的切削熱作用下，很容易與空氣中的氧、氮、氫反應，生成其化合物，致使表面硬化、脆化，甚至粘結在刀頭上，造成粘結磨損，加劇刀具的磨損、崩裂，同時，給準確取樣和回收鈦屑帶來困難。⑤盡量不用切削液。半成品鈦錠平頭時如使用切削液有可能污染鈦錠，造成重熔后引入新雜質。成品錠切削時使用切削液對回收鈦屑又造成一定困難，因此，通常情況下，切削鈦錠不使用切削液。這給本身就難加工的鈦合金帶來更大的困難。近年，也有學者研究干式切削加工、可降解型切削液加工、低溫干式切削加工、低溫冷風切削加工和低溫冷風微量潤滑加工等綠色加工技術。
4、對策分析
正確選擇刀具參數及切削用量是防止刀具崩刃，提高刀具壽命和切削效率，降低生產成本最為直接有效的辦法。
4.1刀具材質和主偏角選擇
常用刀具分為四大類，即工具鋼刀具、硬質合金刀具、陶瓷刀具和超硬刀具。鑄錠剝皮車削是以去除表面氧化皮和裂紋等缺陷為目的的粗車，由于鑄錠表面及皮下組織的復雜性，刀具需具有一定的抗沖擊性和耐磨性，行業內長期實踐的結果還是選擇硬質合金刀具（如YG8）最為經濟和實用。
刀具主偏角在相同進給量和背吃刀量下車削，減少主偏角可使切屑變薄，切削刃參加切削的長度增加，切削刃的散熱面積增大，更利于散熱。從切削受力分析看，主偏角減小時，徑向力增大，軸向力減小；主偏角增大時，徑向力減小，軸向力增大，也就是主偏角可以調整徑向力和軸向力。
在鈦錠切削時，既需要一定的切削深度（徑向力），又要延長刀具的壽命，因此選擇主偏角為45°的整體式焊接車刀。這樣，既能滿足單刀進行平頭加工，也能進行外圓剝皮加工。減少換刀次數和刀具數量，提高效率，降低成本。
4.2刀具參數選擇
（1）刀尖刀尖是刀具最薄弱的部位，切削環境也最為惡劣。此處散熱條件不好，刀尖處積累的切削熱很容易使刀具磨損。合適的刀尖半徑不僅可以大大降低崩刃幾率，還可以延長刀具耐磨度。在通常的機械加工手冊中刀尖半徑推薦為0.2～2.4mm。但是在鈦錠剝皮中，應選擇盡可能大的刀尖半徑以獲得最高的強度。增大刀尖半徑，既增加了刀尖強度，又可以使用大進給提高切削效率。然而并非刀尖半徑越大越好，因為隨著刀尖半徑的增大，徑向分力也增大，振動也會加大，因此根據鈦錠剝皮的特點和YG8刀具的強度，切削鈦合金選擇R2.0mm刀尖，切削純鈦選擇R3.0mm刀尖。
（2）前角角度切削刃的鋒利性和堅固性由前角的大小決定。理論上，正前角可以阻止切屑彈性變形、塑性變形，降低切屑排出時與前刀面的摩擦阻力，有利于散熱和切削。但是，增大前角會使楔角減小，又會使切削刃強度降低、熱量過于集中，容易造成崩刃，刀具耐磨度也下降，刀具前角受力情況如圖3所示。
鈦錠切削刀具前角一般較小，通常為－10°～0°，一般情況下多采用0°前角。這樣既保證了刀具的強度，又使刀具有一定的鋒利度。
（3）后角角度后角是配合前角調整切削刃的鋒利程度和強度的角，它的主要作用是減小切削過程中加工表面與刀具后刀面之間的摩擦力，因而它對刀具壽命和加工表面質量有很大的影響，刀具后角與接觸層長度的關系如圖4所示。
因鈦合金彈性模量小，在切削時加工表面的回彈很明顯，由圖3可知要延長刀具壽命必須增大后角角度才能減少與回彈面的摩擦。但是增大后角角度，使楔角減小，反而降低刀具的強度，導致刀具過快磨損甚至崩刃。綜合考慮，一般情況下，鈦合金的車削加工后角的選擇為10°～16°。
（4）前刀面形狀選擇刃區剖面形式如圖5所示。鋒刃型半徑很小，切削刃很鋒利（見圖5a），但是鋒刃的抗沖擊性能差，即使切削過程遇見小突起，都極有可能導致崩刃。鈍圓型切削刃（見圖5c），不但在提高切削刃強度方面獲得與負倒棱型（見圖5b）同樣的效果，而且比負倒棱型更有利于消除刃區微小裂紋。同時，在切削過程中對已加工表面還有一定的熨壓和消振作用，不但有利于提高已加工表面質量，還提高了刀具的壽命。因此，鈦錠切削應選用倒棱型和鈍圓型這兩種前刀面形狀。
（5）刃傾角刃傾角是主切削刃與基面之間的夾角，其作用是控制切屑排出的方向。當刀尖為主切削刃上最高點時，則λS＞0°；當刀尖為主切削刃上最低點時，則λS＜0°；當主切削刃與基面平行時，則λS＝0°。多數情況下車刀具都是取λS＝0°，刃傾角與切削刃受沖擊位置的關系如圖6所示。
刃傾角的選擇原則：①精加工時刃傾角一般取正值，粗加工時刃傾角取負值。②斷續切削時刃傾角應取負值。③工藝系統剛性好時，刃傾角可加大負值。
鈦錠切削為粗加工，且切削時存在間歇性交變沖擊力，應該選用負刃傾角，但是大到一定角度后，徑向切削力增大，沖擊力變大，散熱條件變差，綜合考慮刃傾角一般在－10°～5°之間選擇。
（6）斷屑槽斷屑槽可以有效控制切屑形狀、體積和排出方向，降低了切削抗力，延長刀具壽命，同時也減小了勞動強度，降低了安全風險。斷屑槽的形狀及尺寸，需結合切屑性質、刀具參數及切削用量選擇，斷屑槽截面形狀如圖7所示。
4.3切削用量選擇
（1）切削深度切削深度由工藝加工余量決定，但也需根據鑄錠實際氧化皮厚度、皮下缺陷深度靈活調整，一般情況單邊去除量8～12mm。切削時盡可能采用大切削深度，使刀尖深埋于硬皮和冷硬層以下，這樣避免切削刃過早磨損和崩裂。當然，切削過程還要考慮成材率，不能扎入太深降低成材率。
（2）進給量進給量對鑄錠表面粗造度影響最大，其次是切削深度和切削速度。鈦錠剝皮主要目的是為去除鑄錠表面氧化皮和內部缺陷，對成品鑄錠表面粗造度值要求不高，通常Ra為12.7～25μm。因此，在工藝、設備系統所能承受的范圍內采用最大進給量。因強度原因，加工合金錠進給量選0.8mm/r，加工純鈦錠進給量選1.4mm/r。
（3）切削深度、進給量和切削速度的匹配鈦合金切削容易產生鋸齒形切屑，導致切削力高頻率周期波動，進而使單位切削力增大，切削溫度升高刀具磨損嚴重，采用低速、大進給量、大切削深度的方法，可以降低鋸齒形切屑產生的頻率。
5、實例驗證
在機加車間，將青島銘泰機床廠的CG84125-4500重型軋輥車床作為試驗機，使用YG8硬質合金的整體式焊接車刀，用如下刀具參數（見表1）和切削參數（見表2），分別對規格為φ720mm×1650mm，質量為3t的純鈦錠（TA1）和鈦合金錠(TC4)外圓進行車削剝皮。
因合金強度高，切削難度大，為了保護刀具強度，所以沒有開切削槽。從切削效率、換刀次數、切屑形貌與未改進前進行對比，純鈦切削時間均縮短了3h，鈦合金切削時間縮小了2h；合金原來車削200mm就得換刀，此試驗中車削300～500mm換刀一次，而且鋸齒狀切屑從原來的30%下降到了10%。實例結果表明，改進后的刀具參數和切削用量，使切削效率大幅提升，同時刀具磨損降低，切屑形狀也得到了有效控制。
6、結束語
通過分析鈦合金加工的特點，指出了實際生產中鈦錠切削過程中存在的問題，對刀具參數和切削用量進行探討分析，并用實例驗證了鈦錠切削所選刀具參數和切削用量的可行性，對鈦錠高效率、低成本生產有一定的指導意義。
參考文獻：
[1]賈翃，逯福生，郝斌．2019年中國鈦工業發展報告[J]．鈦工業進展，2020，37（3）：33-39．
[2]齊德新，馬光鋒，張桂木．鈦合金切削加工性綜述[J]．煤礦機械，2002（11）：3-4．
[3]張春江．鈦合金切削加工技術[M]．西安：西北工業大學出版社，1986．
[4]周連貴．鈦合金的切削加工[J]．飛航導彈，1986（7）：60-64．
[5]列茲尼科夫．高強度鋼高溫合金和鈦合金的切削加工[M]．北京：機械工業出版社，1980．
[6]劉東．TC4鈦合金切削中切屑塑性變形分析[J]．宇航材料工藝，2017，47（4）：71-74．
[7]石磊．鈦合金切削加工中刀具與工件性能匹配的研究[D]．濟南：山東大學，2007.
[8]趙歡歡，等．低溫冷風微量潤滑加工技術的研究狀況[D]．上海：上海理工大學，2006．
[9]張震，何曙華．低溫冷風切削技術淺談[J]．工具技術，2002（6）：32-33．
tag標簽:鈦錠