钛合金切削中刀具材料选用及加工工艺介绍

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由于钛合金具有比重小，比强度与热强度高，热稳定性和抗腐蚀性好，可以显著地减轻产品重量，提高推重比、结构的抗热能力和可靠性，所以在航空、航天、石油、化工、造船等部门得到广泛应用，几年来，由于产品结构要求，我们在钛合金的切削加工工艺上进行了一些探索，下面就此作一介绍。 6 G5 Y' ?. |- D& P0 \

1 钛合金简介

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钛合金是同素异构体，在低于882℃时呈密排六方晶体，称为a钛，在882℃呈体心六方晶体，称为b钛，随着添加其它合金元素的种类、数量不同，相变、温度及相分含量也逐渐改变，从而得到不同的钛合金，室温下可分为a、(a+ b) 、b型三种基本组织，各组织对应的典型牌号有a钛：TA6～TA8：a+ b：TC1～TC11： b钛：TB1～TB3。 : Q7 \- w$ S$ t7 U

1. 影响钛合金切削加工性的因素 钛及钛合金的切削加工，从切削的刀具耐用度、加工表面的质量及切屑形成和排屑的难易程度等方面来衡量，钛及钛合金属难加工材料。钛及钛合金的切削加工性比奥氏体不锈钢还差，退火或固溶处理的钛合金切削加工性优于高温合金，而经时效处理后的钛合金切削加工性和高温合金差不多。 5 M2 a2 R5 ]; m& B- o! ~
   钛合金切削加工性差主要有以下原因：

   1. 导热、导温系数小，切削温度高。 钛合金的导热系数平均是工业纯钛的一半，导温系数分别为铁和铝的1/4和1/16，因此在相同的切削条件下，钛合金的切削温度比45钢高1倍以上。
   2. 切削变形系数小，单位面积上的切削力大。 钛合金的切削变形系数小于1或接近1，钛合金切屑被主切削刃切离后，立即向上翻卷，使切屑与刀具前刀面接触减少，刀具单位面积上所承受的压力要比一般钢材大得多，切削温度急剧上升。 , }# f, B3 c1 p0 o f
   3. 化学活性大。钛合金在300℃以上高温下极易与刀具材料“亲和” ， 产生严重的粘刀现象。
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2. 刀具材料的选择 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。常用切削钛合金的刀具材料见表1。

B0 o! _# G* O9 e' |: t8 h2 s- s7 s5 O8 B4 O3 I' O$ H. q4 N) C8 I8 v( v' y/ b" {" V1 [1 g9 U* s6 C3 r7 e; E" }8 R( G! y' w2 \' H' a7 j: E c; g) X5 o/ [* r+ `7 t! B8 e# c3 X/ B0 R$ Y' g, ]1 F3 V8 b/ O/ x4 f4 S& u" @5 U. S3 Y# J- M2 [: i( _8 A# @* k: X& k t' v0 g8 `9 Q# B4 d( s* x5 s4 y$ u& M/ D( p- M# s' r! }! f2 t3 y) O4 F- @0 s" v ]+ ^4 ]. h( Y2 |* {' K0 n) @$ Z. v5 b- i2 ^/ @* I; ?* ~# k7 R% Y% T% U5 S; I/ {. F3 Y. l* n. s6 V+ l7 q% f* w) i2 W) {6 L* q$ ^+ w( _# a$ ?' O0 l8 S5 M A" o( `5 I! W- F# d, k$ u( o% x6 d4 q4 r& k; r/ f) `0 u9 }( X) W) K6 V# y7 J! W' K# H4 s6 b; U+ {" b* {4 N# q% z+ U- V5 y- a/ I/ O. M0 m3 `( L5 f9 S8 P# m1 U# m' w9 `) Q( i7 E7 Y- y

表1 常用切削钛合金的刀具材料

牌号	抗弯强度sbb (MPa)	硬度≥ (HRA)	刀具种类
YG6	1320	91.0	车刀、镗刀、铣刀、钻头、铰刀 ( c% u' N' U, k9 I4 Y
YG8	1741	89	车刀、镗刀、铣刀、钻头、铰刀、螺纹刀具、拉刀
Y330	1960	90.5	铣刀、钻头、铰刀、拉刀
W12Cr4V4Mo	3200	66～67	车刀、铣刀、成型铣刀、钻头、铰刀、丝锥、拉刀
W12Mo3Cr4V3Co5Si	2844～3334	66～69	车刀、铣刀、成型铣刀、钻头、铰刀、螺纹刀具、拉刀
W6Mo5Cr4V2Al	4511～4609	65～69	车刀、铣刀、成型铣刀、钻头、铰刀、螺纹刀具、拉刀、丝锥
W10Mo4Cr4V3Al	2452～3138	66～69	铣刀、钻头、铰刀
W2Mo9Cr4VCo8	1765～2354	66～69	车刀、铣刀、成型铣刀、螺纹刀具、拉刀、丝锥

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图1

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2 钛合金接头切削加工举例

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钛合金接头零件结构外形如图1所示，材料为TC4。该零件加工中主要存在以下几个问题：

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1. 零件结构较为复杂，工艺性较差，在加工过程中，集中了车、铣、镗、钻等切削加工，刀具基本上是断续切削加工， 对刀具有较大冲击力，易崩刃，刀具寿命短： H- o0 |+ Q( `5 k3 _
2. 加工硬化严重，粘刀，容易产生积屑瘤，刀具磨损严重： - k3 d6 d3 A" I* O& b9 j9 w6 T; O
3. 排屑不畅，刀具容易在柄部折断： - x: S; p# @2 K8 s) P
4. 加工表面粗糙，达不到设计要求，不利于后续工序基准定位。

加工钛合金接头的主要工艺流程如图2所示。 * R: E3 L1 i9 |1 P/ b9 D) h: C% ^" v/ E3 ~4 m$ x. x; m4 ?& ~: f0 ~

图2

1. 加工六方外形 * h+ c; g+ D% e+ {& R3 F* v; B
   1. 刀具选择：切削加工六方外形选用端铣刀，YG8刀片，Ø120刀盘，6个刀片。刀具几何参数为成品角度。 / ^- H9 Q4 L0 G
   2. 切削参数选择：主轴转速118r/min，进给量47.5mm/min，铣削深度6mm。 4 T3 h# w& U$ f8 H
   3. 切削加工情况：有YG8铣平面，刀具切削轻松，在进刀与工件接触时以及刀具将工件切透时有振动，中间切削过程平稳，使用磨削液。留0.5mm 余量进行精铣，可获得R_a1.6的表面粗糙度。
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2. 加工十字形状 2 e; h L# T8 J2 P, r
   1. 刀具选择：选用硬质合金立铣刀，刀具材料为Y330。铣刀外径Ø40。
   2. 切削参数选择：主轴转速235r/min。 * P6 l1 Q/ y% \# [# \- l5 P
   3. 切削加工情况：用Y330加工十字形状，手动横向进给，刀具切削轻松，切削时加磨削液充分冷却。精铣时铣刀底刃修磨R2，后角为10°～12°，并用碳化硅油石修磨使切削刃光滑，工件能得到R_a1.6的表面粗糙度。此时后角的选择，尤其是刀具圆弧面后角的选择至关重要，过大，会在铣削过程中产生振动，容易崩刃，使切削刃产生锯口，加剧磨损：过小，会造成排屑、断屑困难，切屑还会粘刀，后刀面与工件磨擦现象严重，刀具磨损加快。因此正确地修磨后角，可以提高刀具的使用寿命。
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3. 车削工件内外圆弧表面 4 a8 `1 Q: o- |
   刀具材料、几何参数及切削用量的选择如下： ! u5 ~4 a# e H D) R: h

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   1. 刀具材料为YG8，45°偏刀断续切削，使用磨削液让切削刃冷却。用工装夹持工件，每组加工8件，粗车切削用量V=25～38m/min，f=0.3～0.5mm/r，ap=3～5mm.如加工中间内孔，在连续切削的条件下精车，切削用量V=50～75m/min，f=0.1～0.2mm/r，ap=0.25～0.8mm。 $ k R: l' k5 o+ P
      前角g=8°～12°能保证刀具强度。
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   2. 磨出0.05～0.1mm的负倒棱，增强切削刃强度。 7 P1 j! w2 B5 `; o# f
   3. 后角a=15°～20°，以减少后刀面与工件的摩擦，提高刀具寿命。
   4. 粗车时，刃倾角l=-3°～-5°，精车时刃倾角l=-3°～0°。
   5. 粗车时，刀尖圆弧半径r0=0.5mm，精车时r0=1～2mm，以增强刀尖强度。
   6. 切削加工情况：通过以上参数选择，工件可获得R_a1.6的表面粗糙度，并能有效地提高刀具寿命，主切削刃在刃磨后用碳化硅油石研磨出倒棱，可消除刃磨产生的锯口，提高抗磨损能力，并增强主切削刃强度。
4. 加工零件两边U形弧槽
   图1所示U槽深约24mm，宽18mm，圆弧为28，弧形槽弦长61mm，为半盲槽，加工后底部弧面及两侧面壁厚为4mm。由于是半盲槽，刀具进入切槽后，铣削阻力增大，排屑不畅，刀具与切屑挤压现象严重，切削过程中有振动，刀具易崩刃，如继续切削，刀具将在颈部处折断。加工后的零件表面凹凸不平，表面粗糙度达不到要求。在选用刀具上，原选用硬质合金立铣刀加工，由于铣削产生的振动使铣刀崩刃，刀具寿命较短。后改用超硬铝高速钢铣刀(刀具牌号W6Mo5Cr4V2Al)切槽，取得了较满意的效果。其加工步骤如下： ) _- [7 j5 k" I6 D3 G7 j4 D' e

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   1. 先将铣刀底部磨出圆角R2，后角值取8°～12°，并用油石修光。如果刀具底部圆角磨削不好及尺寸大小不一，或不等高，那么刀具的使用寿命则会降低。 3 U, Q9 c7 M& ~- g; Z
   2. 粗铣，取主轴转速300r/min，加磨削液。手动进给，两侧各留5mm，分两次铣削，第一次吃刀深度为12mm，第二次吃刀深度为10mm，底面保证最大尺寸留2mm余量。试验得知，一把刀在不受撞击，正常使用的情况下，可加工40件、80条这样的槽，然后将铣刀卸下刃磨，第二次刃磨后的铣刀，其耐用度稍差。如用硬质合金立铣刀加工，一把硬质合金铣刀在圆角处刃磨角度合理的情况下，也只能加工4条槽，但表面粗糙度达不到要求。使用超硬铝铣刀，其耐用度要比硬质合金铣刀提高10～12倍。 7 J0 q* n9 ]+ l* e* o$ G
   3. 半精铣，取主轴转速475r/min，进给速度475mm/min，不加冷却液。
   4. 装上工装精加工R388圆弧底面及两侧面尺寸4mm，圆角R2，取主轴转速475r/min，在圆盘上加工应保证逆铣，铣削中有振动，可调整圆工作台间隙，螺母调紧，减少振动。顺铣带刀严重，圆盘的窜动容易将零件啃伤，造成零件报废。试验得知，用超硬铝高速钢铣刀对工件进行半精加工至精加工，其经济价值非常可观，一把铣刀可直接加工120件，甚至还要多一些，而用硬质合金铣刀其使用寿命仅是它的十分之一。

3 综合因素探讨

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影响钛合金切削加工的因素很多，要依据实际零件加工情况从各个方面进行综合分析，找出最佳途径。下面就我厂这几年来在加工TA7、TC4材料零件中采取的几点措施作一简介。

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1. 切削机床、夹具的选择
   切削加工钛合金应选择刚性好、功率大、具有大的变速范围和进给范围的机床，以便于调整切削参数。切削加工前认真调整机床导轨间隙，或单独使用某一方向进给加工时，最好将另一方向的螺母锁紧，减少机床振动：夹具刚性要好，使用圆工作台时，应将其间隙调好，螺母锁紧。
2. 切削用量、刀具几何参数选择
   切削加工钛合金时，应重点考虑钛合金切削时会产生较高温度的因素，由于切削温度高，刀具磨损加快。切削温度一般取值为：硬质合金刀具切削温度应控制在600～800℃，高速钢刀具切削温度控制在450～560℃的范围内，还要严格控制切削用量，特别是切削速度不能高。在实际加工中要根据具体材料和不同加工工序进行选择，并使用充足的切削液，提高切削效率。切削钛合金刀具的几何参数见表2 ，切削钛合金的切削用量见表3 。

, q3 _+ N8 j* S, E# K) G5 h! |5 E: ~, D( T8 P {+ t5 f& {2 l. P8 [6 f4 s1 G- j6 N, r- |) Z- {( N$ `. J7 e1 x# [1 I% ~6 I! ]; Q2 e- E8 `; D; H) v: H8 A$ d( A; {. h: U/ J9 r$ Y6 a( E+ w2 P' x6 n6 H, Y2 Z- I2 M8 Z9 t7 H1 J; c* f" P. ^! p% {) t1 K, T" i7 C% ?" H" ~5 Y1 D3 j) S0 _, S2 N+ K k# N. w- B) W5 E( D1 M. s, t& }9 J5 ~. R, f$ n; d- T3 r$ `! r# h' `: f! M T( n; [5 P2 A6 W) q- T# u: o* e0 e* R$ D: }5 f( u7 i- u! c% f6 e3 @7 H/ P' @+ D) E7 C( i5 ^# |/ T2 d5 f" `' e8 R0 @9 m: M3 f: o* H/ x/ [: o3 a+ U8 P( I W8 n* K/ V. w% T4 G' a" A6 f+ i2 B' R+ s- A" r2 X1 \% L4 P6 `' K) Z$ |) X: G6 e/ [2 r8 _1 O) F0 C9 q5 J& `; O5 A9 N& e4 N4 d: q S# B( p& T2 y% }8 r1 V1 G) \' V8 b. R7 V! K7 I4 B4 U m! [2 O9 r: H* V( M O/ R* F0 a# U% O) Y. ~7 w L, \8 t6 J- \; [) g. v1 j$ O8 Y5 a2 Y& t7 n. f/ `5 J% F) f' j' Q* t8 |, P" E9 d- Y) b. Y/ L' N" W; b+ I- j, M9 V8 o: ~& B8 n Z6 X+ d2 `& n# I Z" P$ k$ \/ }& }# Y' Y2 m# b/ p- Z7 g8 I

表2 切削钛合金切削用量(供参考)

刀具材料类型	前角	轴向前角	径向前角	主偏角	后角	副后角	副偏角	刃倾角	螺旋角
高速钢车刀	6°～12°			45°～90°	5°～8°		5°～15°	0°～5°
硬质合金车刀	3°～7°			45°～90°	8°～12°		15°	0°～5°
端铣刀	0°	5°～8°	-13°～17°	12°～60°	8°～12°	5°～8°	6°～10°
硬质合金立铣刀	10°～12°				12°	5°～8°	3°～5°		30°
高速钢立铣刀					15°～18°	6°～10°	1°～10°		35°～45°
高速钢盘铣刀	0°							10°

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表3 切削钛合金刀具的几何参数(供参考)

刀具类型	刀具材料	工件材料sb (MPa)	粗铣氧化皮				粗铣				精铣				冷却液
			切削速度 (m/min)	每齿进给量 (mm)	轴向切深 (mm)	径向切深 (mm)	切削速度 (m/min)	每齿进给量 (mm)	轴向切深 (mm)	径向切深 (mm)	切削速度 (m/min)	每齿进给量 (mm)	轴向切深 (mm)	径向切深 (mm)
端铣刀	硬质合金	≤1000	18～24	0.06～0.12	大于氧化皮深度	≤0.6D	24～37	0.10～0.15	1.5～6	≤0.6D	30～45	0.04～0.08	0.2～0.50		乳化液、磨削液
		>1000	15～20	0.05～0.10			20～24	0.08～0.12	1.5～6		24～30	0.04～0.06
立铣刀	硬质合金		29～37	0.03～0.06	大于氧化皮深度		30～38	0.08～0.13	10～30	1～4	47～75	0.06～0.08	0.5D～2D
立铣刀	高速钢	≤1000	5～10	0.1～0.13	大于氧化皮深度	大于氧化皮深度	10～19	0.1～0.13		1～3	15～37	0.06～0.10
		>1000	4～8	0.1～0.13			8～15	0.1～0.13			8～15	0.04～0.08
三面刃铣刀	高速钢	≤1000	7～14	0.06～0.08		6	11～22	0.06～0.08	0.5D～2D	1.5～3	14～28	0.05～0.07
		>1000	6～12	0.06～0.08		6	7～14	0.07～0.1			9～22	0.05～0.07
注：D为铣刀直径

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