新(xin)型高(gao)强(qiang)度钛合金切(qie)削(xue)刀具(ju)技(ji)术研究(jiu)

 引言

钛合(he)金(jin)具(ju)有比强(qiang)度(du)高、耐(nai)腐蚀(shi)性能(neng)和(he)低温(wen)性(xing)能好及热(re)强度(du)高(gao)等(deng)优点，是航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)工(gong)业中(zhong)广泛(fan)使(shi)用的(de)材(cai)料(liao)［1］。国(guo)内(nei)航(hang)空、航天(tian)及(ji)军(jun)工(gong)等行业已经开(kai)展了对(dui)钛(tai)合金材料(liao)高(gao)速(su)铣(xi)削(xue)的研(yan)究和应用，加工(gong)零(ling)件(jian)以(yi)结构件(jian)为(wei)主(zhu)，主(zhu)要(yao)解(jie)决(jue)加工(gong)效率(lv)和(he)刀(dao)具耐用(yong)度的问(wen)题［2］。

TB18钛合金是西部(bu)超(chao)导(dao)公(gong)司与(yu)国(guo)内(nei)高校、科研(yan)院(yuan)所合作开发的一种(zhong)新型近(jin)β钛合(he)金(jin)，其名(ming)义成(cheng)分(fen)为(wei)Ti-5Al-5Mo-5V-6Cr-1Nb-0.5Fe，经(jing)热处理后该合金(jin)的断裂韧性(xing)与传统(tong)高强(qiang)度(du)合金保持(chi)同一(yi)水平，但(dan)静强(qiang)度(du)更(geng)高，同(tong)时具有(you)良(liang)好的淬(cui)透性(xing)［3］。该(gai)材料的(de)特点(dian)是(shi)高强度（1300MPa）、高(gao)黏性和高韧性(xing)，比常用(yong)的TC4、TC18、TC21材(cai)料(liao)的可(ke)加(jia)工(gong)性更差(cha)。由(you)于(yu)目前(qian)国内外(wai)缺少(shao)对该(gai)材料(liao)的加工(gong)刀具(ju)和切削技术(shu)的(de)针(zhen)对性研(yan)究(jiu)，市(shi)场上暂无(wu)合(he)适的(de)加工TB18钛合金高(gao)效切削刀具(ju)，严(yan)重制约(yue)TB18材料(liao)的(de)加(jia)工效率。

本(ben)文(wen)从(cong)TB18钛(tai)合(he)金(jin)的(de)铣削(xue)和(he)钻(zuan)削两(liang)类(lei)典(dian)型刀具出发，开(kai)展刀具的结构(gou)选(xuan)型和切(qie)削参数(shu)试验(yan)研(yan)究(jiu)，改(gai)进刀具结(jie)构，制定粗(cu)、精(jing)加(jia)工(gong)最优刀(dao)具(ju)选(xuan)用方案，并(bing)进(jin)行(xing)试(shi)验验(yan)证(zheng)，达(da)到(dao)提(ti)升TB18钛(tai)合金(jin)加(jia)工效率(lv)、提(ti)高(gao)刀具(ju)使(shi)用寿命(ming)的(de)目(mu)标(biao)。该(gai)研究为(wei)TB18新(xin)型(xing)钛合(he)金(jin)材料的(de)切(qie)削加工提(ti)供了一定(ding)的(de)参考。

2、TB18材料切削(xue)加(jia)工问题分(fen)析(xi)

由(you)于新型(xing)超(chao)高(gao)强度(du)钛合(he)金材料TB18的化学成(cheng)分中金属(shu)元素(su)Mo，Cr，V以及稀(xi)有(you)元(yuan)素(su)Nb的存(cun)在，使(shi)TB18钛(tai)合金材料相(xiang)对(dui)于常用(yong)TC4，TC18，TC21钛(tai)合金(jin)的可(ke)加工(gong)性(xing)能(neng)极(ji)差(cha)，尤其在(zai)热(re)处(chu)理后材(cai)料(liao)抗拉强(qiang)度达到(dao)σｂ＝1315MPa时(shi)。对TB18钛合金(jin)材料(liao)（热(re)处(chu)理(li)后(hou)）的切(qie)削性(xing)能开展研(yan)究(jiu)，根据粗(cu)、精(jing)加工选取不(bu)同(tong)类型的(de)通(tong)用(yong)钛合(he)金(jin)刀(dao)具进行试(shi)验，刀(dao)具的(de)切(qie)削(xue)参数(shu)及刀具(ju)使用寿(shou)命见(jian)表1。

与常用的(de)TC4、TC18、TC21材(cai)料(liao)切(qie)削(xue)过(guo)程对(dui)比(bi)，铣(xi)削(xue)、钻削TB18材(cai)料时(shi)主要面(mian)临(lin)的(de)问(wen)题有：

①铣(xi)削(xue)加(jia)工(gong)刀(dao)具（可转位刀片式(shi)快进(jin)给(gei)、整(zheng)硬合(he)金(jin)铣刀(dao)等(deng)通用(yong)机(ji)械(xie)加(jia)工刀(dao)具）磨损快，易崩(beng)裂(lie)，刀具(ju)寿(shou)命(ming)极(ji)低。同(tong)等切削(xue)条(tiao)件下(xia)与(yu)加工(gong)常用(yong)钛合金的(de)刀(dao)具寿命相比(bi)，粗加工快进给(gei)铣(xi)刀片寿命(ming)缩短了(le)50％~80％，精加工整硬合金(jin)铣(xi)刀(dao)寿(shou)命(ming)缩(suo)短67％～83％。经分析(xi)，刀(dao)具失效方式(shi)为(wei)月牙(ya)洼、积(ji)屑(xie)瘤(liu)导(dao)致(zhi)的快(kuai)速烧蚀(shi)和(he)崩(beng)刃(ren)（见(jian)图1）。

②钻削加工时材(cai)料(liao)难以(yi)断(duan)屑(xie)（见(jian)图2），刀(dao)具(ju)刃(ren)口(kou)切屑(xie)黏(nian)结(jie)且(qie)容(rong)易崩刃(ren)，Ｕ钻(zuan)（ϕ20mm）加(jia)工孔深(shen)９0mm的(de)内孔(kong)需(xu)要更(geng)换(huan)三(san)次刀片才(cai)能(neng)完成(cheng)，刀片寿(shou)命(ming)短(duan)，使(shi)用过程(cheng)需频繁(fan)更换，加工(gong)效(xiao)率(lv)极低。

③铣(xi)削加(jia)工(gong)效(xiao)率(lv)更低(di)。粗加工(gong)快(kuai)进(jin)给铣(xi)刀切(qie)削(xue)线速(su)度为20~30m/min，为常用钛合金(jin)加工(gong)刀(dao)具(ju)的(de)30％，进给速(su)度150~400mm/min，为常(chang)用钛合(he)金加工刀(dao)具的(de)25％~30％，加(jia)工(gong)效(xiao)率大幅降(jiang)低，精(jing)加工整(zheng)硬(ying)合(he)金(jin)铣刀(dao)的加工工(gong)艺参数(shu)也(ye)远(yuan)低(di)于常规(gui)钛合(he)金刀具(ju)。

通(tong)过(guo)试验(yan)发(fa)现(xian)，导致加工TB18材(cai)料的各类(lei)刀具失效(xiao)的(de)主(zhu)要(yao)形(xing)式为(wei)刀(dao)具快(kuai)速磨损和(he)烧蚀(shi)。经(jing)初(chu)步分(fen)析(xi)，与(yu)通(tong)用(yong)钛(tai)合(he)金相比(bi)，TB18材料(liao)具(ju)有(you)更(geng)高的黏(nian)性，极易(yi)产生切削(xue)热，且(qie)由于(yu)加(jia)工过程(cheng)未得到(dao)充分(fen)冷却，加剧了(le)刀(dao)具的黏(nian)结和(he)烧蚀，造成(cheng)刀(dao)具失效(xiao)。

3、试验(yan)研(yan)究

3.1试验(yan)方案

为(wei)了(le)提高(gao)TB18材料的加(jia)工效(xiao)率(lv)与刀(dao)具寿(shou)命，针(zhen)对(dui)不同的加(jia)工工(gong)况(kuang)开(kai)展刀具(ju)选型(xing)试(shi)验(yan)，以(yi)提高加工(gong)效(xiao)率和刀(dao)具(ju)寿命(ming)为目(mu)标(biao)，优化(hua)刀(dao)具结构(gou)，并(bing)通(tong)过试(shi)验确(que)定(ding)加工工(gong)艺(yi)参(can)数。

3.1.1铣(xi)削(xue)工(gong)序(xu)粗加工(gong)

在使用大直径ϕ80mm、主偏角12°的(de)快(kuai)进(jin)给铣(xi)刀(dao)进行(xing)粗(cu)加(jia)工(gong)时，做(zuo)出(chu)以(yi)下(xia)改(gai)进：①为提(ti)高刀(dao)片(pian)寿命，降低切削刃(ren)与(yu)工件的接触面(mian)积(ji)，将原有(you)快进(jin)给(gei)刀(dao)具7°的(de)主偏(pian)角增(zeng)加为(wei)９°；②为(wei)解(jie)决(jue)材料高(gao)黏(nian)、刀具易(yi)烧(shao)蚀问题，优(you)选牌(pai)号(hao)2000Ti新(xin)型切(qie)削(xue)液(ye)，减(jian)小铣(xi)削(xue)过程(cheng)中(zhong)的切削(xue)热；③为(wei)避免(mian)切(qie)削(xue)抗(kang)力(li)大(da)造成毛料振动(dong)过(guo)高、刀(dao)片(pian)崩(beng)碎情况(kuang)的发生，调(diao)整(zheng)刀具轴向(xiang)前角为(wei)11°，径向(xiang)前(qian)角为6.5°，保(bao)证切削(xue)过程(cheng)稳定(ding)。

3.1.2铣(xi)削(xue)工(gong)序(xu)精(jing)加工

以(yi)原先(xian)试验(yan)使用的ϕ25mm硬(ying)质(zhi)合金立铣(xi)刀(dao)为(wei)例(li)，由(you)于(yu)TB18钛(tai)合(he)金(jin)的高(gao)强、高黏(nian)特(te)性，试(shi)验(yan)过(guo)程(cheng)中极(ji)易产(chan)生(sheng)刀(dao)具振动(dong)以及大量(liang)切削热(re)，为避免(mian)刀(dao)具(ju)失(shi)效，提(ti)高(gao)精(jing)加(jia)工(gong)效(xiao)率(lv)，本(ben)文(wen)对传统刀(dao)具进行结(jie)构(gou)改(gai)进(jin)，设(she)计(ji)了密(mi)齿前(qian)波刃整(zheng)体硬质(zhi)合(he)金铣(xi)刀（见图(tu)3）。

具(ju)体(ti)改(gai)进为(wei)：①通过公式Ｆ＝f_z×Ｎ×Ｚ可以(yi)看出(chu)，在进给速度不(bu)变(bian)的情(qing)况下(xia)，增加(jia)齿(chi)数(shu)可(ke)以(yi)减(jian)小每(mei)齿(chi)进给(gei)量(liang)，延长刀具寿命(ming)，因此(ci)将(jiang)齿数从4齿(chi)更(geng)改为(wei)6齿(chi)；②为(wei)了增(zeng)强(qiang)断屑能力(li)，将前(qian)刀(dao)面(mian)变为(wei)前(qian)波刃(ren)刀具结构(gou)；③选(xuan)择(ze)Co含(han)量为10％的(de)整体(ti)硬质合金(jin)材料(liao)，以(yi)平(ping)衡刀(dao)具(ju)的(de)韧(ren)性(xing)和耐磨性(xing)；④选(xuan)用(yong)AlTiＮ基(ji)多(duo)层(ceng)涂(tu)层增加(jia)刀具(ju)的(de)耐(nai)磨性(xing)；⑤设计(ji)多(duo)孔(kong)内(nei)冷(leng)结(jie)构，加强(qiang)冷却(que)效果(guo)，减小(xiao)切(qie)削(xue)热。

3.1.3钻削加工

由(you)于(yu)TB18钻(zuan)孔(kong)时高(gao)黏(nian)、高(gao)强钛屑不易(yi)排(pai)出(chu)，冷(leng)却(que)无法(fa)及(ji)时到(dao)达(da)切削部(bu)位(wei)，刀尖易(yi)烧(shao)伤(shang)崩齿(chi)，甚(shen)至刀体断裂。根据(ju)上述(shu)加工特(te)点(dian)，以直(zhi)径20mm为(wei)区(qu)分(fen)，拟进(jin)行如下技术(shu)选(xuan)型(xing)和设计优化(hua)。对(dui)于(yu)Ｄ≤20mm的孔(kong)加工：①采(cai)用(yong)整(zheng)体硬质合金(jin)钻(zuan)头(tou)（见图(tu)4），钻(zuan)头采(cai)用(yong)双(shuang)刃(ren)带设计(ji)，提(ti)高刀具的稳(wen)定(ding)性(xing)；②刀体(ti)排(pai)屑(xie)槽(cao)螺(luo)旋(xuan)角(jiao)采用(yong)12°结(jie)构(gou)设(she)计且齿(chi)槽(cao)抛(pao)光(guang)处(chu)理(li)，减(jian)少(shao)钛屑与(yu)刀(dao)体(ti)接触面(mian)，降低(di)摩(mo)擦，减(jian)小切(qie)削热(re)；③加(jia)大倒(dao)锥(zhui)度(du)为0.25/100，减小钻(zuan)头(tou)与(yu)孔壁的摩擦(ca)；④加大(da)内冷孔，提(ti)高冷(leng)却效果(guo)和排屑(xie)能(neng)力(li)；⑤优(you)选AlCrＺｒ基(ji)涂(tu)层(ceng)增加(jia)刀(dao)具(ju)的(de)耐(nai)磨性(xing)。

对于(yu)Ｄ＞20mm的孔(kong)加工(gong)：①采用可(ke)转(zhuan)位Ｕ钻(zuan)，刀(dao)片采用(yong)复合(he)涂层(ceng)，增(zeng)加(jia)刀(dao)片耐磨性；②配备12ｂａｒ以上冷却(que)液(ye)压(ya)力，提(ti)高(gao)切削(xue)冷(leng)却(que)效(xiao)果(guo)；③孔加工(gong)方(fang)式选(xuan)用(yong)切削(xue)量(liang)逐(zhu)层(ceng)递减的(de)切削(xue)方式，前(qian)1/3孔深处(chu)加(jia)大(da)每(mei)齿(chi)进(jin)给量(liang)，提高(gao)加工(gong)效(xiao)率(lv)，后(hou)2/3采用逐(zhu)层递(di)减(jian)，提高耐磨(mo)性(xing)；④周(zhou)边刀(dao)片和(he)中心(xin)刀(dao)片采(cai)用不同(tong)材(cai)质(zhi)，所用中(zhong)心刀(dao)片能够实(shi)现逐步(bu)进刀(dao)方式，达到(dao)切(qie)削力(li)均匀(yun)分布；周(zhou)边刀片(pian)采(cai)用(yong)Ｗｉｐｅｒ技(ji)术(shu)，以提(ti)高(gao)孔(kong)壁质(zhi)量（见(jian)图(tu)5）。

3.2试验结果

采(cai)用快(kuai)进(jin)给铣(xi)刀在(zai)5Ａ3Ｐ重型(xing)切削(xue)机床(chuang)上进(jin)行铣(xi)削试(shi)验(yan)，优(you)化后(hou)的刀(dao)具可适(shi)应更(geng)大(da)的每(mei)齿进(jin)给(gei)量，对切(qie)削(xue)加工参(can)数进(jin)行(xing)优(you)化(hua)后(hou)，切削效(xiao)率和(he)刀(dao)具(ju)寿(shou)命均(jun)有(you)所(suo)提升（见表(biao)2）。优化后刀具(ju)的切(qie)削线(xian)速(su)度可达40m/min，刀(dao)具(ju)的断屑(xie)效(xiao)果、切削(xue)力和(he)振动(dong)等(deng)均得到(dao)明(ming)显(xian)改(gai)善(shan)（见表(biao)3）。

优化(hua)后的硬(ying)质合(he)金钻头寿命(ming)由(you)原(yuan)来的15min提(ti)升(sheng)到(dao)60min，孔壁比原(yuan)先更(geng)光滑（见表4）。优(you)化(hua)后的(de)Ｕ钻寿命(ming)从20min/把(ba)提(ti)升至50min／把，是(shi)原先(xian)的(de)2.5倍(bei)，孔(kong)壁(bi)更光(guang)滑（见(jian)表5）。

3.3对比(bi)分析(xi)

通过试(shi)验(yan)前(qian)后(hou)数(shu)据(ju)对比，优(you)化后的(de)TB18钛合(he)金刀(dao)具加工(gong)效率及寿命(ming)均有(you)所(suo)提(ti)升。

效率提升：TB18钛(tai)合(he)金粗(cu)铣快进(jin)给(gei)铣刀的(de)金属(shu)去(qu)除(chu)率从(cong)32.6cm3/min提(ti)升(sheng)至50.4cm3/min，提升至原(yuan)来(lai)的1.5倍；精铣(xi)硬(ying)质(zhi)合(he)金(jin)立铣(xi)刀切(qie)削线(xian)速(su)度(du)从26.3m/min提(ti)升(sheng)至40.035m/min，提升至原来(lai)的1.5倍。

寿(shou)命提(ti)升：用(yong)于(yu)TB18材(cai)料(liao)粗铣的快进给铣刀刀具(ju)寿(shou)命从(cong)60min/把(ba)提(ti)升(sheng)了(le)９0min/把(ba)，提(ti)升(sheng)了(le)1.5倍；硬质合(he)金铣(xi)刀(dao)的(de)刀(dao)具寿(shou)命(ming)从(cong)30min/把提(ti)升(sheng)了83min/把，提(ti)升了2.8倍；硬(ying)质合(he)金(jin)钻(zuan)头(tou)寿命从(cong)15min提(ti)升(sheng)至60min，提升了(le)4倍(bei)；Ｕ钻(zuan)寿(shou)命(ming)从20min/把(ba)提升(sheng)了50min/把(ba)，提升了(le)2.5倍。

4、结语

通过刀具(ju)切削(xue)对(dui)比(bi)试(shi)验(yan)对(dui)新(xin)型(xing)钛(tai)合(he)金TB18的(de)切削(xue)性能进(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)，分(fen)析(xi)刀具(ju)的主要(yao)失(shi)效形(xing)式(shi)，优(you)化(hua)改(gai)进(jin)刀(dao)具(ju)结构(gou)并(bing)合理选(xuan)取(qu)切(qie)削(xue)参数(shu)，得(de)出(chu)以(yi)下主(zhu)要结(jie)论(lun)。

（1）与(yu)通(tong)用钛(tai)合金的切(qie)削(xue)加工(gong)相比(bi)，TB18材(cai)料具有更高的(de)黏(nian)性(xing)，极易产(chan)生切削(xue)热，刀(dao)具失效(xiao)的(de)主要形(xing)式(shi)为(wei)刀具快速磨(mo)损(sun)和烧蚀。

（2）对(dui)典(dian)型(xing)钻(zuan)削、铣削刀具(ju)进(jin)行优化(hua)改(gai)进，经试验(yan)验(yan)证，改进(jin)后(hou)的(de)刀具可(ke)有(you)效(xiao)降低(di)切削过程中摩擦(ca)热(re)的产(chan)生，刀具(ju)寿(shou)命(ming)提(ti)升明(ming)显。

（3）为提高生(sheng)产(chan)效率、降(jiang)低加(jia)工成(cheng)本，本(ben)文(wen)对(dui)切削(xue)参数(shu)进行优化。试验结果表(biao)明，优化后(hou)的(de)切削参(can)数可以使(shi)加工(gong)效率(lv)得(de)到(dao)有效(xiao)提升(sheng)，验(yan)证了(le)切(qie)削参(can)数(shu)优(you)化方案的可行(xing)性，为今后TB18材(cai)料的(de)加工(gong)提(ti)供(gong)一定(ding)的(de)参考。

参(can)考文(wen)献(xian)

［1］刘莹(ying)莹，陈子(zi)勇(yong)，金头(tou)男(nan)，等(deng).600℃高温钛合金(jin)发展现状与(yu)展(zhan)望(wang)［Ｊ］.材料导(dao)报(bao)，2018，32（11）：1863－1883．

［2］付(fu)秀丽，艾兴(xing)，张松(song)，等.航(hang)空整体结构(gou)件(jian)的(de)高速切削加(jia)工［Ｊ］.工具(ju)技术，2006，40（3）：80－83．

［3］李少强，弓(gong)站朋，李(li)辉(hui)，等.TB18钛合金(jin)热变形(xing)行(xing)为及(ji)动(dong)态再结晶机制［Ｊ］.稀(xi)有(you)金属(shu)材(cai)料与工(gong)程，2020，4９（９）：3045－3051．

第(di)一(yi)作者(zhe)：姜怡(yi)君，工(gong)程师，中(zhong)航西(xi)安飞(fei)机(ji)工(gong)业(ye)集团股(gu)份有限(xian)公司(si)，71008９西(xi)安市(shi)

ＦｉｒｓｔＡｕｔｈｏｒ：ＪｉａｎｇＹｉｊｕｎ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，ＡVＩＣＸｉ′ａｎＡｉｒCrａｆｔＩｎ-ｄｕｓｔｒｙＧｒｏｕｐＣｏMPaｎｙＬｔｄ.，Ｘｉ′ａｎ71008９，Ｃｈｉｎａ