钛(tai)合(he)金(jin)高质高(gao)效(xiao)切削加工(gong)刀具(ju)技(ji)术

1、序(xu)言(yan)

钛合金材料(liao)具(ju)有(you)比强度高(gao)、耐蚀性和耐热性(xing)好等性能(neng)优势，被广泛应用(yong)于航空航天、武器装备等(deng)国(guo)防工(gong)业和石油化(hua)工、生(sheng)物(wu)医疗等民用(yong)领(ling)域(yu)。由于(yu)钛合金具(ju)有(you)热(re)导率低(di)、高温(wen)化学活性高和弹(dan)性(xing)模(mo)量小等特点(dian)，在(zai)切削加(jia)工(gong)过程中存在(zai)切(qie)削(xue)温(wen)度(du)高、切削变(bian)形和冷硬现(xian)象严重及(ji)易(yi)粘刀(dao)等(deng)现象(xiang)，导致(zhi)刀具易(yi)磨(mo)损且表面加工(gong)质量差，使钛(tai)合(he)金(jin)成(cheng)为(wei)典型的难(nan)加(jia)工材(cai)料(liao)[1]。同(tong)时，钛合金(jin)构件常(chang)用的轻量化设(she)计特(te)点使(shi)材(cai)料(liao)去除量(liang)大，目(mu)前钛合(he)金加工(gong)时(shi)采用的(de)低切(qie)削(xue)用(yong)量严重(zhong)制约了生产(chan)效率的(de)提(ti)升，造成制(zhi)造成(cheng)本的升高(gao)。因(yin)此，实现钛合(he)金构(gou)件(jian)的(de)高(gao)质高(gao)效切削加(jia)工(gong)成(cheng)为制造(zao)业亟(ji)需(xu)突(tu)破的关键(jian)共性技(ji)术(shu)难(nan)题。

作(zuo)为(wei)切(qie)削加工工艺(yi)研究体系中(zhong)的(de)核心(xin)要素(su)，刀具(ju)技(ji)术的发(fa)展(zhan)可为(wei)切削(xue)加工(gong)技术(shu)带(dai)来新的(de)变革。为实现钛(tai)合金(jin)构件的(de)高(gao)质(zhi)高(gao)效(xiao)切削(xue)加工，需(xu)要科学选(xuan)用或(huo)设(she)计开(kai)发(fa)高(gao)性(xing)能(neng)切削(xue)刀(dao)具(ju)，相关技术(shu)包括刀具(ju)材料(liao)与刀具结构(gou)设计(ji)、刀具涂(tu)层(ceng)制(zhi)备(bei)、刀(dao)具切削参(can)数优选、刀具(ju)加工状(zhuang)态(tai)监控及(ji)切削数据(ju)库(ku)开(kai)发(fa)等(deng)，如(ru)图1所示(shi)。

图1 钛(tai)合金高(gao)质高效(xiao)切削加(jia)工(gong)刀具(ju)技(ji)术(shu)

工(gong)件材(cai)料切削加工性研究(jiu)是开发(fa)高性能(neng)切(qie)削(xue)刀具的(de)基础(chu)。基于(yu)材(cai)料切(qie)削去除机理分析(xi)，结合(he)动态(tai)力(li)学(xue)性(xing)能测试(shi)、切削试(shi)验与(yu)数值(zhi)仿(fang)真(zhen)等(deng)手(shou)段，对(dui)钛(tai)合(he)金(jin)切(qie)削(xue)过(guo)程热(re)-力(li)载荷耦(ou)合(he)作用(yong)、材料(liao)切除变(bian)形与失效机制、刀-屑和刀(dao)-工界面的(de)接(jie)触与(yu)摩(mo)擦学(xue)行(xing)为等(deng)进行(xing)理论建模及试验(yan)和仿真研(yan)究，可(ke)揭(jie)示影响(xiang)钛(tai)合(he)金切(qie)削加工性(xing)的主(zhu)导因(yin)素，有(you)助于指(zhi)导钛合(he)金高(gao)质(zhi)高效切(qie)削(xue)刀具的(de)设计制(zhi)造(zao)及(ji)选(xuan)用(yong)。

在(zai)刀(dao)具(ju)材料(liao)设计方(fang)面(mian)，进行钛(tai)合金与(yu)刀(dao)具(ju)材料(liao)力学(xue)性能(neng)和(he)理化性能的匹(pi)配性(xing)分析，建立钛合(he)金(jin)切削(xue)加(jia)工刀(dao)具-工(gong)件作(zuo)用的(de)材料学(xue)及热力(li)学(xue)研(yan)究体系(xi)，通过(guo)切(qie)削试验(yan)和(he)仿(fang)真(zhen)模拟探(tan)索钛合金(jin)切(qie)削过(guo)程(cheng)中(zhong)刀具(ju)的(de)磨损规律(lv)并(bing)揭(jie)示(shi)刀(dao)具(ju)磨(mo)损机理(li)，进而(er)设(she)计与优选(xuan)适(shi)于(yu)钛(tai)合金(jin)高质高(gao)效加(jia)工的刀(dao)具材料体系。

在(zai)刀(dao)具涂(tu)层制(zhi)备(bei)方(fang)面，包(bao)括新型(xing)刀具涂层(ceng)材(cai)料(liao)设计(ji)选(xuan)用(yong)和(he)刀(dao)具(ju)涂(tu)层(ceng)制备(bei)工艺(yi)，需针对钛合(he)金的高化学(xue)活(huo)性(xing)特点，选用(yong)兼(jian)具减摩(mo)、耐(nai)磨(mo)与热障作(zuo)用(yong)的(de)涂层(ceng)材(cai)料，并开(kai)发相(xiang)应(ying)的涂(tu)层制备(bei)工艺和设(she)备(bei)。同时(shi)，开(kai)发涂(tu)层(ceng)刀具(ju)微喷砂和深(shen)冷(leng)处理等表面(mian)后处理工艺(yi)，改善刀具刃(ren)口微(wei)几(ji)何(he)结构和涂层(ceng)表(biao)层(ceng)材(cai)料(liao)的(de)微观(guan)组织，实(shi)现涂(tu)层刀(dao)具刃口和表层(ceng)力学(xue)性能的(de)协(xie)同强化。

在(zai)刀(dao)具结构(gou)设计方(fang)面(mian)，根(gen)据(ju)钛合(he)金加工工(gong)艺(yi)特(te)点(dian)和技术要求(qiu)，开发钛(tai)合(he)金(jin)加工特殊刃(ren)型(xing)刀(dao)具（如Wiper刀片(pian)）、整体超(chao)硬(ying)材料(liao)及(ji)密齿结构刀(dao)具(ju)等，可(ke)以(yi)实现其高(gao)效率(lv)切除(chu)与高(gao)表面质量(liang)加(jia)工(gong)。在刀具(ju)切(qie)削参数(shu)优选(xuan)方面，可(ke)根据钛合金(jin)表面加(jia)工质量(liang)、加(jia)工效率(lv)与(yu)加(jia)工成(cheng)本(ben)等(deng)经济(ji)技术(shu)指标，优化切(qie)削(xue)参(can)数，实(shi)现钛(tai)合(he)金(jin)高(gao)质(zhi)高效(xiao)加工。同时，开发刀(dao)具加工(gong)状态(tai)监(jian)控技(ji)术并建(jian)立(li)切(qie)削加(jia)工(gong)数据(ju)库(ku)，实(shi)现(xian)加工(gong)过(guo)程状(zhuang)态监控(kong)和(he)工艺参数(shu)的智(zhi)能(neng)推送等功(gong)能，助推(tui)智能制(zhi)造(zao)的发(fa)展(zhan)和(he)工(gong)程化(hua)应(ying)用(yong)。

2、钛(tai)合金(jin)切削(xue)刀具材料

在切削(xue)加(jia)工(gong)过程(cheng)的(de)高温影响下(xia)，钛元素具有(you)高的(de)化(hua)学活(huo)性(xing)，如何避免(mian)钛合金(jin)与(yu)刀具材料(liao)元(yuan)素之(zhi)间(jian)的剧(ju)烈(lie)粘结扩散(san)，是(shi)选择(ze)钛合(he)金加(jia)工(gong)刀(dao)具(ju)以及(ji)刀(dao)具(ju)材(cai)料(liao)设(she)计时需(xu)考(kao)虑的首(shou)要因素(su)。

钨钻(zuan)类硬(ying)质合金（YG类(lei)，即(ji)ISO标(biao)准(zhun)的K类，由(you)WC和Co构成(cheng)）是加(jia)工钛(tai)合(he)金常用(yong)的刀(dao)具(ju)材料(liao)。研(yan)究对(dui)比YG、YT、YW三(san)种硬(ying)质(zhi)合金刀(dao)具(ju)加(jia)工(gong)钛合(he)金(jin)时(shi)的(de)刀(dao)具(ju)磨(mo)损(sun)机(ji)理[2]，发现低速(su)切削(xue)时三(san)类(lei)刀具(ju)均以粘结磨损(sun)为(wei)主(zhu)，高(gao)速(su)切削(xue)时(shi)YG类(lei)刀具仍以粘结磨(mo)损(sun)为主(zhu)，但YT类刀(dao)具(ju)在粘结(jie)磨(mo)损(sun)的同时伴随(sui)产(chan)生(sheng)一定的氧化磨损和(he)扩(kuo)散(san)磨损(sun)，YW类(lei)刀具则是(shi)三(san)种(zhong)磨损(sun)机理(li)占据(ju)同等(deng)地(di)位(wei)，因(yin)此(ci)在(zai)低速(su)切削钛(tai)合金(jin)时可优先选(xuan)用(yong)YG类硬质(zhi)合(he)金刀(dao)具(ju)，高速切削(xue)时可选(xuan)用(yong)YW类或(huo)YG类硬(ying)质合(he)金(jin)刀(dao)具(ju)。除了(le)与(yu)刀具中的(de)Co含(han)量(liang)有关外(wai)，影(ying)响(xiang)钛合金切削(xue)刀(dao)具性能的(de)另一主(zhu)要因素(su)是(shi)晶粒度，细(xi)化(hua)且均匀分(fen)散(san)的(de)WC硬质相(xiang)和(he)Co粘结相可增(zeng)大(da)两相(xiang)粘结面积，不(bu)仅(jin)有助于提高(gao)硬(ying)质合(he)金(jin)的(de)抗弯强度和冲(chong)击(ji)韧(ren)性(xing)，同时还可(ke)保(bao)证(zheng)硬(ying)质(zhi)合金(jin)的(de)高硬(ying)度和(he)良(liang)好的耐磨(mo)性(xing)。当(dang)WC晶(jing)粒的(de)平均(jun)尺寸(cun)在0.8～1.4μm时，钨(wu)钴(gu)类(lei)硬质(zhi)合金刀(dao)具表现出较好的(de)抗磨(mo)损(sun)性能[3]。

采用普通晶粒尺寸的(de)硬质(zhi)合(he)金刀具(ju)加(jia)工钛合金时刀具寿(shou)命(ming)通(tong)常(chang)较(jiao)短(duan)，导(dao)致(zhi)切(qie)削(xue)速度只能在(zai)低于(yu)50m/min范(fan)围选取，加工(gong)效率(lv)较(jiao)低。肯纳(na)刀具推(tui)出(chu)的(de)由细晶(jing)粒(li)碳化(hua)钨（含(han)钴6%）组(zu)成(cheng)的(de)K313材质(zhi)基(ji)体，兼(jian)具(ju)高(gao)的(de)热硬度和良(liang)好(hao)的(de)抗(kang)塑(su)性变(bian)形能力，有效(xiao)保证(zheng)了(le)刀(dao)具(ju)韧(ren)性(xing)和(he)均匀的后(hou)刀(dao)面(mian)磨(mo)损(sun)，在(zai)精(jing)加(jia)工阶(jie)段切(qie)削(xue)速度在100m/min左右时(shi)刀(dao)具仍具(ju)有正常(chang)的加(jia)工寿(shou)命。山特(te)维(wei)克(ke)可乐满(man)H13A（HW）和伊(yi)斯卡(ka)IC20非(fei)涂层(ceng)硬(ying)质合金刀(dao)具材(cai)料具(ju)有良(liang)好(hao)的抗(kang)粘(zhan)结(jie)磨损性(xing)和(he)高韧(ren)性(xing)，适用(yong)于航空(kong)工(gong)业(ye)钛合金(jin)零(ling)部(bu)件加工。

超硬(ying)刀(dao)具(ju)材(cai)料(liao)如(ru)聚晶立方氮化(hua)硼(peng)（PCBN）和聚(ju)晶(jing)金刚石(shi)（PCD）可(ke)以实现(xian)钛合金材料(liao)的(de)高速(su)、高精度和高(gao)稳(wen)定(ding)性(xing)加工(gong)。对(dui)比(bi)分析不同(tong)刀具材料在高(gao)速车(che)削(xue)钛合金(jin)时(shi)的磨损(sun)差异，包(bao)括未涂层(ceng)硬(ying)质(zhi)合金(jin)、TiAlN PVD涂(tu)层硬质合金(jin)以及(ji)PCBN等(deng)，发(fa)现(xian)PCBN刀(dao)具(ju)材料在(zai)高(gao)切(qie)削(xue)速(su)度(du)、低进给量、低背(bei)吃(chi)刀(dao)量下(xia)切削(xue)钛合金时可以获得(de)较(jiao)平(ping)稳的(de)切削(xue)力(li)和(he)较(jiao)低(di)的加工(gong)表(biao)面粗(cu)糙(cao)度(du)值[4]；PCD刀具(ju)在(zai)切削(xue)速度(du)为(wei)200m/min以(yi)上加工钛(tai)合金(jin)时(shi)，仍(reng)然(ran)可(ke)以(yi)保持较(jiao)好的(de)刀(dao)具(ju)使(shi)用寿命和加工(gong)表(biao)面质量(liang)。因此(ci)，PCBN和PCD等超(chao)硬刀具(ju)材(cai)料适用(yong)于(yu)钛合(he)金的精(jing)加工(gong)和高速加(jia)工(gong)。

3、刀(dao)具涂层工(gong)艺

开(kai)发(fa)适于(yu)钛(tai)合(he)金(jin)加(jia)工(gong)的(de)涂层(ceng)刀(dao)具有助于(yu)提(ti)升加工(gong)效率和延(yan)长(zhang)刀具寿命。刀具涂层材料具有(you)硬(ying)度高(gao)、耐磨(mo)性好(hao)、化(hua)学(xue)性能稳定、耐(nai)热(re)耐氧(yang)化和热导率低等特性(xing)，相比(bi)未(wei)涂层刀(dao)具可以(yi)提高(gao)刀(dao)具(ju)寿命(ming)3～5倍(bei)以(yi)上(shang)，提高(gao)切削速(su)度20%～100%，提(ti)高(gao)加工精(jing)度0.5～l级，并(bing)可(ke)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)刀具(ju)成(cheng)本[5]。

通过对(dui)比(bi)物(wu)理(li)气相沉(chen)积(ji)PVD涂层(ceng)（TiN+TiAlN）硬(ying)质合金刀(dao)具和化(hua)学(xue)气(qi)相(xiang)沉积(ji)CVD涂(tu)层（TiN+Al2O3+TiCN）硬质合金刀具的(de)钛(tai)合金高(gao)速铣削性(xing)能(neng)，发现(xian)PVD涂(tu)层(ceng)刀(dao)具的使用寿(shou)命(ming)大(da)于(yu)CVD涂(tu)层刀(dao)具，表(biao)现出(chu)更(geng)优(you)异的切(qie)削性能[6]。森(sen)拉天(tian)时的CTC5240刀(dao)片通过(guo)结合高粘(zhan)结性(xing)细晶WC基体(ti)与超薄(bao)PVD涂层(ceng)，在(zai)钛(tai)合(he)金高(gao)效(xiao)加工(gong)中表(biao)现(xian)出(chu)良(liang)好的(de)耐磨性和使(shi)用寿命(ming)。对(dui)于新型单(dan)涂层(ceng)材质(zhi)，硬质(zhi)薄(bao)膜材料CrN涂层和(he)Al2O3涂层具(ju)有(you)优(you)异(yi)的耐磨损性(xing)能和抗(kang)氧化(hua)附着能(neng)力，可(ke)适(shi)用于钛合(he)金等难(nan)加工材料切削。瓦尔(er)特(te)刀(dao)具利(li)用(yong)PVD涂(tu)层方(fang)法(fa)在(zai)刀(dao)具基(ji)体上(shang)沉积(ji)Al2O3硬(ying)质镀层(ceng)，该(gai)涂层制(zhi)备(bei)工艺(yi)热载荷小(xiao)，可(ke)在(zai)提高(gao)刀(dao)片(pian)韧(ren)性(xing)的同(tong)时保(bao)持(chi)Al2O3镀(du)层的(de)高硬度(du)、良好(hao)耐(nai)热(re)性(xing)和耐(nai)磨(mo)损等(deng)性能，减少(shao)了出现积屑(xie)瘤(liu)的(de)倾向，适合(he)钛合(he)金(jin)高速(su)加(jia)工(gong)。此(ci)外(wai)，AlCrN、CrSiN和(he)AlCrSiN等涂层亦(yi)适(shi)用于(yu)钛合金(jin)加(jia)工，研(yan)究表明(ming)高(gao)速干切(qie)削(xue)钛(tai)合金(jin)时(shi)，AlCrSiN涂层(ceng)刀具(ju)的(de)切(qie)削(xue)寿(shou)命超过(guo)无涂(tu)层刀具(ju)，切(qie)削力、切(qie)削(xue)温度和加工表面(mian)粗糙度指(zhi)标(biao)均(jun)优(you)于(yu)无涂(tu)层(ceng)刀(dao)具(ju)[7]。近(jin)年(nian)来(lai)，MoS2和(he)WS2等软涂(tu)层(ceng)刀具(ju)也为钛(tai)合(he)金加工提(ti)供了(le)新(xin)的(de)选择。

刀具(ju)涂层(ceng)后处理技术可(ke)以进(jin)一(yi)步提(ti)升刀(dao)具(ju)的切削性(xing)能。以PVD TiAlN涂(tu)层刀(dao)具(ju)为(wei)例，通过对(dui)TiAlN涂层进(jin)行干式微喷(pen)砂强化后处理(li)，并基(ji)于(yu)断裂(lie)力学(xue)理(li)论(lun)分(fen)析(xi)喷砂时(shi)间和(he)喷砂(sha)压(ya)强对刀(dao)具(ju)涂(tu)层表面粗(cu)糙(cao)度(du)和表(biao)层硬化深(shen)度(du)的影(ying)响(xiang)，证(zheng)明(ming)微(wei)喷砂后处理工(gong)艺(yi)可以显(xian)著(zhu)改善TiAlN涂(tu)层的(de)表面(mian)完(wan)整性(xing)，使涂层显(xian)微硬(ying)度(du)较(jiao)微喷砂处理前(qian)提(ti)高15%以(yi)上(shang)，从而提(ti)高(gao)涂层刀(dao)具(ju)的耐磨(mo)损(sun)性(xing)能(neng)并(bing)延长使用寿命[8]。利(li)用湿(shi)式微喷砂对CVD TiN/A12O3涂层刀具进行后(hou)处(chu)理(li)，发现(xian)喷(pen)砂时(shi)间(jian)、磨(mo)料(liao)类型(xing)和磨粒(li)直(zhi)径等微(wei)喷砂(sha)工(gong)艺(yi)参(can)数对涂(tu)层刀(dao)具几(ji)何(he)形貌(mao)、力学(xue)性能(neng)及(ji)使用寿(shou)命具有(you)重(zhong)要(yao)影响(xiang)，经(jing)过(guo)微喷(pen)砂后(hou)处(chu)理(li)可有效(xiao)去(qu)除涂层(ceng)表面的大(da)颗粒(li)缺陷，降低(di)刀(dao)具(ju)涂层(ceng)表面粗(cu)糙(cao)度(du)值，使(shi)刀具平(ping)均寿(shou)命提(ti)高27.5%[9]。

深冷处理可以(yi)通(tong)过改变(bian)刀具材料的微观组(zu)织而改(gai)善其力学性能(neng)，近(jin)年来被逐(zhu)渐尝试应用(yong)于(yu)刀具(ju)后(hou)处(chu)理强化。通过(guo)研(yan)究(jiu)深冷处(chu)理(li)对TiAlN涂层刀(dao)具(ju)微观组织(zhi)及(ji)力学(xue)性(xing)能的影响(xiang)，发(fa)现(xian)深(shen)冷处理(li)后硬质(zhi)合金基(ji)体(ti)中(zhong)η相(xiang)碳(tan)化物的含(han)量(liang)显(xian)著(zhu)增(zeng)加，有(you)利(li)于(yu)提(ti)升(sheng)涂(tu)层与基(ji)体的(de)结合(he)强度以(yi)及(ji)基(ji)体(ti)材(cai)料硬度(du)，且(qie)深(shen)冷处理温(wen)度(du)降(jiang)低(di)时涂(tu)层与(yu)基体(ti)的结合强度提(ti)高(gao)；进一步(bu)对(dui)比(bi)深(shen)冷(leng)处理(li)前后(hou)的TiAlN涂层刀(dao)具的车削寿命，表明(ming)－190℃深冷(leng)处理(li)24h后的(de)刀具寿命相比(bi)未深冷(leng)处理(li)刀(dao)具提(ti)高了(le)34.8%[10]。同(tong)样(yang)，深(shen)冷处(chu)理(li)PVDTiAlN/NbN等(deng)其(qi)他类(lei)型(xing)涂(tu)层(ceng)的(de)硬(ying)质(zhi)合(he)金(jin)铣(xi)削(xue)刀具，可(ke)提高(gao)其在钛合(he)金加(jia)工时(shi)的(de)刀(dao)具(ju)耐磨(mo)性(xing)能(neng)。

4、刀具结(jie)构设计(ji)

采用新(xin)刀具结(jie)构(gou)设(she)计实现(xian)难(nan)加(jia)工材料(liao)的高质(zhi)高(gao)效加(jia)工是现代(dai)企(qi)业提(ti)高(gao)经济效益的重(zhong)要(yao)途(tu)径。刀具材(cai)料(liao)改进是(shi)刀(dao)具(ju)技术发(fa)展的(de)主(zhu)线(xian)，而(er)在(zai)现有(you)刀具(ju)材(cai)料(liao)基(ji)础上，通(tong)过(guo)刀(dao)具几(ji)何结构(gou)设计改(gai)善(shan)切削性(xing)能也(ye)是(shi)提(ti)高(gao)切(qie)削效(xiao)率(lv)和(he)加(jia)工质量(liang)的(de)有(you)效途径(jing)。国(guo)际生产(chan)工(gong)程(cheng)科学院CIRP指(zhi)出，“由(you)于刀(dao)具材(cai)料(liao)的(de)改进(jin)，刀(dao)具(ju)许用(yong)切削(xue)速(su)度每(mei)隔10年提(ti)高1倍(bei)，而(er)由(you)于刀具几何结构的改进，刀(dao)具(ju)寿命每隔10年则(ze)提(ti)高(gao)近2倍”。

相比切(qie)削(xue)刃数(shu)、刀(dao)具角度(du)等宏观结(jie)构，刀具(ju)切(qie)削(xue)刃(ren)的(de)微(wei)几(ji)何特征(zheng)是(shi)影响其切削(xue)性能的(de)更直接(jie)因素。山特维(wei)克(ke)可(ke)乐(le)满的(de)CoroMill® Plura整体(ti)式(shi)立铣刀(dao)利(li)用(yong)多(duo)刃型结构(gou)设计可(ke)实现(xian)高进(jin)给(gei)、小(xiao)径向切削深度和(he)高(gao)切削(xue)速度(du)的(de)钛(tai)合金加(jia)工，大(da)幅(fu)度(du)减少切削(xue)热(re)量(liang)的产生(sheng)，提(ti)供了在(zai)航(hang)空航(hang)天钛(tai)合金整体叶(ye)盘加(jia)工中的刀具解决(jue)方案。瓦(wa)尔(er)特(te)的(de)高进(jin)给(gei)铣(xi)刀(dao)M4002刀(dao)片的后(hou)刀面波浪(lang)设(she)计，提高(gao)了钛(tai)合(he)金的切削加工(gong)质(zhi)量，并(bing)使(shi)刀具寿(shou)命(ming)提(ti)高1倍。德国(guo)来(lai)宝(bao)精(jing)工(gong)设(she)计(ji)的(de)全刃(ren)口新型切削刃(ren)采(cai)用三角(jiao)斜度(du)槽(cao)型设(she)计(ji)，可(ke)实(shi)现(xian)钛合金(jin)抗振(zhen)动高(gao)进给加工(gong)，效(xiao)率(lv)提高(gao)3倍，寿(shou)命延(yan)长50%。

Wiper刃(ren)型有(you)助于(yu)实(shi)现(xian)钛合金(jin)材(cai)料(liao)高(gao)速(su)度、大进(jin)给(gei)、大切削(xue)深(shen)度的高(gao)效切(qie)削。其(qi)中(zhong)，瓦尔特Xtra-tec®可(ke)转(zhuan)位钻(zuan)头B4213通过使用Wiper修光(guang)刃有效(xiao)改善了(le)表(biao)面加(jia)工(gong)质量。通过(guo)对(dui)比Wiper刀(dao)片(pian)与普通(tong)刀片铣(xi)削钛合金Ti-6Al-4V的(de)加工性(xing)能(neng)[11]，发(fa)现(xian)在(zai)获(huo)得相(xiang)同(tong)表面(mian)质量(liang)时(shi)，Wiper刀(dao)片(pian)可以采(cai)用(yong)大进(jin)给量切(qie)削(xue)，相比(bi)普(pu)通刀片切(qie)削效率提(ti)高(gao)1倍。利(li)用(yong)形状因(yin)子法对刀具(ju)刃口(kou)几何进(jin)行(xing)参数(shu)化(hua)表(biao)征(zheng)，可(ke)定量化揭示(shi)刃口(kou)微(wei)结构(gou)对加工表(biao)面(mian)残(can)余(yu)应力(li)等(deng)完(wan)整(zheng)性指(zhi)标(biao)的影响规(gui)律，为刀(dao)具的刃口(kou)结(jie)构(gou)设计(ji)与制备(bei)提(ti)供(gong)指导(dao)[12]。

钛(tai)合(he)金切削加工(gong)过(guo)程中(zhong)容易(yi)在(zai)切(qie)削区域(yu)积聚(ju)大(da)量(liang)的(de)切(qie)削热，严(yan)重(zhong)损(sun)害加(jia)工工件(jian)的(de)尺寸(cun)精(jing)度与服役(yi)性(xing)能(neng)。为解(jie)决切(qie)削过(guo)程中(zhong)切(qie)削(xue)热量高且(qie)难(nan)以耗(hao)散(san)的问题(ti)，山(shan)特维(wei)克(ke)可(ke)乐(le)满、肯纳(na)和瓦(wa)尔特(te)等(deng)刀具(ju)厂(chang)商提出(chu)了(le)高压内冷(leng)却(que)加(jia)工技(ji)术和(he)相应结(jie)构的(de)刀(dao)具。通过对比(bi)干(gan)切削、浇(jiao)注式冷却以(yi)及(ji)高压冷却三(san)种(zhong)加工(gong)环境(jing)下的钛(tai)合金车削(xue)试(shi)验，分(fen)析(xi)切(qie)削介质(zhi)与出(chu)液孔位置对(dui)切削力(li)与(yu)切削(xue)温(wen)度(du)的影响规律，发(fa)现(xian)刀(dao)具(ju)冷(leng)却(que)结构会(hui)影(ying)响钛合金的加工表(biao)面(mian)形貌(mao)、微(wei)观(guan)组织(zhi)和(he)力学性(xing)能，利(li)用高(gao)压(ya)内(nei)冷却刀(dao)具可以有效解(jie)决(jue)钛合金(jin)切削过程(cheng)中(zhong)的(de)热(re)量累(lei)积和(he)散热(re)问题(ti)，且(qie)前、后(hou)刀面双出液孔(kong)刀(dao)具结构对(dui)加工表(biao)面完整(zheng)性(xing)的(de)改(gai)善尤(you)为显(xian)著[13]。

5、刀(dao)具加工(gong)状(zhuang)态(tai)监控(kong)及(ji)切削(xue)数(shu)据(ju)库(ku)

刀(dao)具切削过程(cheng)的智(zhi)能(neng)监控(kong)是实(shi)现(xian)智能(neng)制造的关(guan)键技(ji)术(shu)。随(sui)着(zhe)人(ren)力(li)成本(ben)的不(bu)断(duan)提高和对自动(dong)化(hua)生产的(de)迫(po)切需(xu)求，无(wu)人(ren)化(hua)车(che)间与黑灯工厂将(jiang)越(yue)来(lai)越(yue)普(pu)遍(bian)。刀具(ju)切(qie)削(xue)过程(cheng)智能监(jian)控技术(shu)可(ke)以实时(shi)感知刀(dao)具(ju)的(de)工作状(zhuang)态(tai)，在(zai)掌握(wo)刀具是否(fou)存(cun)在异常的同(tong)时能够自动调整工(gong)艺(yi)参数；当(dang)发(fa)现(xian)刀(dao)具(ju)工作(zuo)状(zhuang)态(tai)出现故(gu)障(zhang)时(shi)及时做出(chu)预(yu)警及决策(ce)，从(cong)而提高生(sheng)产(chan)效(xiao)率(lv)并(bing)保障加工(gong)质(zhi)量。因(yin)此(ci)，无(wu)人(ren)干(gan)预条(tiao)件(jian)下(xia)的(de)刀(dao)具(ju)状(zhuang)态(tai)监(jian)控(kong)，是实现切(qie)削(xue)加工自适(shi)应调整的基(ji)础(chu)，也(ye)是机(ji)床(chuang)设(she)备安全(quan)工作(zuo)的(de)保障(zhang)。

刀具在(zai)切削过程中的(de)磨(mo)损、破损行(xing)为(wei)和刀(dao)具(ju)振动是(shi)影(ying)响加工(gong)表(biao)面质(zhi)量的(de)重(zhong)要(yao)因(yin)素。刀(dao)具(ju)磨(mo)损(sun)是(shi)切削(xue)过(guo)程(cheng)中刀具的正(zheng)常(chang)损耗(hao)形(xing)式，刀具(ju)磨损量(liang)增加易导(dao)致(zhi)表面加(jia)工质(zhi)量(liang)变差(cha)、加(jia)工(gong)精(jing)度(du)下(xia)降(jiang)等(deng)，从而造(zao)成废品(pin)率上升；刀(dao)具破损是刀(dao)具(ju)的(de)非(fei)正(zheng)常损坏，破(po)损严重(zhong)时将(jiang)急剧恶(e)化(hua)加(jia)工(gong)表(biao)面质(zhi)量甚(shen)至(zhi)损坏(huai)加工设(she)备[14]。因此，需要对(dui)刀具的(de)磨损、破(po)损(sun)状态(tai)进(jin)行(xing)有效(xiao)实(shi)时监(jian)控，并根(gen)据(ju)刀(dao)具(ju)工作(zuo)状态给出换(huan)刀(dao)、停车等(deng)指(zhi)令(ling)或(huo)优(you)化(hua)后续工艺参数(shu)。刀具振(zhen)动是切削(xue)刀具与工(gong)件之(zhi)间相(xiang)互作(zuo)用(yong)的结(jie)果(guo)，不稳(wen)定的刀(dao)具振(zhen)动将(jiang)影(ying)响(xiang)切(qie)削(xue)系(xi)统(tong)的加(jia)工稳定性，振动(dong)严(yan)重(zhong)时(shi)（如颤振）可能损坏(huai)工件(jian)加工(gong)表面(mian)并(bing)产(chan)生(sheng)刀(dao)具(ju)崩刃(ren)。刀(dao)具振(zhen)动问题影响(xiang)因素众(zhong)多(duo)、时(shi)变(bian)性强且建(jian)模过(guo)程(cheng)复(fu)杂(za)，一般难以完全(quan)避(bi)免。

开(kai)发(fa)有效的(de)刀(dao)具(ju)加工状(zhuang)态监测技(ji)术(shu)对(dui)于实(shi)现(xian)切(qie)削过程(cheng)的自动化(hua)运(yun)行、保证零件(jian)加工(gong)质(zhi)量(liang)、保护(hu)机(ji)床(chuang)设(she)备(bei)安全以及提(ti)高生(sheng)产车间的智(zhi)能化水平具有重(zhong)要意(yi)义。现有智(zhi)能刀(dao)具(ju)主(zhu)要通(tong)过安装(zhuang)某(mou)一(yi)种(zhong)或几种传(chuan)感(gan)器(qi)实(shi)现刀具状(zhuang)态监(jian)测(ce)功(gong)能(neng)，例(li)如(ru)采用(yong)压(ya)电陶(tao)瓷(ci)薄膜或声表面波传(chuan)感(gan)器可以(yi)实时监测(ce)刀(dao)具磨(mo)损，利(li)用集成(cheng)热电偶(ou)可以测试(shi)切(qie)削温度(du)等。随着(zhe)智能制(zhi)造(zao)技(ji)术的发(fa)展，更(geng)便(bian)捷(jie)且(qie)高(gao)效(xiao)地在(zai)切(qie)削刀具或(huo)加(jia)工系统中(zhong)集成(cheng)不同(tong)功能传(chuan)感器(qi)，并(bing)基于多传感器融(rong)合技术(shu)和(he)人工智(zhi)能(neng)算(suan)法对复杂(za)切(qie)削状态(tai)进行监测(ce)，实现刀(dao)具状态(tai)监(jian)控与数控加(jia)工(gong)系(xi)统的(de)多(duo)维交(jiao)互，从而主动调(diao)整(zheng)加(jia)工(gong)参数(shu)并(bing)充分(fen)发(fa)挥刀具(ju)与机床的(de)工作效(xiao)能(neng)，将(jiang)是(shi)未来智(zhi)能刀(dao)具(ju)和智(zhi)能(neng)制(zhi)造(zao)的(de)发(fa)展趋势(shi)[15]。

切(qie)削数(shu)据库(ku)是利用计算(suan)机(ji)技(ji)术(shu)存储(chu)刀(dao)具(ju)和加工工艺(yi)数(shu)据，按(an)照(zhao)生(sheng)产需(xu)求(qiu)迅(xun)速(su)获(huo)取特定加工(gong)场景下所需(xu)刀(dao)具信息和切(qie)削参数的(de)数(shu)据(ju)化(hua)管(guan)理工(gong)具。利用(yong)切削数(shu)据(ju)库技术可以根据(ju)生(sheng)产约束条件优(you)化(hua)切削工艺，实现高(gao)效(xiao)高(gao)质(zhi)切削(xue)加(jia)工(gong)。数(shu)据库(ku)技术(shu)将(jiang)先(xian)进的(de)计(ji)算机(ji)技术与传(chuan)统(tong)制造(zao)业(ye)相(xiang)融合，实现(xian)制(zhi)造资源信(xin)息(xi)的(de)数(shu)据化(hua)和结构(gou)化(hua)管(guan)理(li)，符(fu)合制(zhi)造业数字化的发展趋势。基于(yu)实验室试验数据(ju)、车(che)间生产(chan)经验数据(ju)以及(ji)文(wen)献手(shou)册(ce)数据(ju)等(deng)，可开(kai)发出(chu)涵(han)盖(gai)车、铣、钻(zuan)和镗等系(xi)列化(hua)加(jia)工(gong)工(gong)艺的刀(dao)具数(shu)据库(ku)系(xi)统，为(wei)用(yong)户(hu)提(ti)供(gong)优化(hua)的钛(tai)合(he)金等(deng)难(nan)加(jia)工(gong)材(cai)料(liao)的切削(xue)刀具、切(qie)削用量(liang)等(deng)加工信(xin)息，从(cong)而有效(xiao)提高(gao)生产(chan)效(xiao)率。基(ji)于加(jia)工(gong)特征(zheng)分类(lei)建(jian)立(li)不(bu)同类型(xing)零(ling)件(jian)的加(jia)工(gong)数据库(ku)系统(tong)，同时结(jie)合实例推理(li)技术(shu)，将已有切(qie)削(xue)加工积(ji)累的切(qie)削数据和经(jing)验(yan)模(mo)型(xing)存(cun)储在(zai)数(shu)据库(ku)中(zhong)，可为新(xin)加(jia)工(gong)案(an)例提供数据基(ji)础(chu)和(he)参考(kao)解(jie)决(jue)方(fang)案[16]。进(jin)一(yi)步(bu)将(jiang)切削(xue)数(shu)据库系(xi)统与CAM软(ruan)件集成(cheng)，可以为(wei)数控编(bian)程快速(su)准确地提供切(qie)削数据，有利(li)于缩(suo)短生产(chan)制造周(zhou)期，提(ti)高(gao)产(chan)品的(de)市(shi)场竞(jing)争力(li)。

6、结(jie)束(shu)语

随着(zhe)切(qie)削刀具(ju)技(ji)术的发展(zhan)，钛(tai)合(he)金(jin)高(gao)质高(gao)效切(qie)削(xue)加工技术正(zheng)在逐渐成(cheng)熟，在(zai)钛(tai)合金加工(gong)刀具材料与刀具结构(gou)设(she)计、刀具涂(tu)层制备(bei)、刀(dao)具(ju)加(jia)工状(zhuang)态监(jian)控(kong)和(he)数(shu)据(ju)库(ku)开(kai)发(fa)等(deng)方面均取得了一(yi)定(ding)进展。

在(zai)制造业(ye)快速(su)发展的背景(jing)下(xia)，航(hang)空航天(tian)、汽(qi)车及能(neng)源(yuan)等(deng)行(xing)业(ye)不(bu)断涌现(xian)的新(xin)材(cai)料对切削加工技(ji)术提出了更高(gao)的(de)要求，推(tui)动(dong)刀具(ju)材料和(he)刀具(ju)结构的(de)持续创(chuang)新(xin)。高质(zhi)高效刀具的(de)开发(fa)成(cheng)为(wei)革新(xin)加(jia)工工艺、提(ti)高(gao)加(jia)工效(xiao)率(lv)和(he)加工质量、降(jiang)低(di)加(jia)工(gong)成(cheng)本的重要(yao)源动(dong)力。随(sui)着五(wu)轴工具磨(mo)床(chuang)加(jia)工精(jing)度(du)的提(ti)高以及(ji)超(chao)快激光(guang)等(deng)高(gao)能(neng)束加(jia)工(gong)技术(shu)的发展，复杂结(jie)构(gou)刀具(ju)的精密制造逐步(bu)成(cheng)为现实，从(cong)而为(wei)改变(bian)刀具(ju)结构(gou)设(she)计提(ti)供(gong)了技术基(ji)础，将(jiang)使刀具(ju)切(qie)削(xue)性(xing)能得(de)以(yi)持(chi)续提升。

同时，在(zai)智(zhi)能(neng)制造(zao)技(ji)术的推(tui)动(dong)下，“智能刀(dao)具”和(he)“智(zhi)能(neng)加工”逐步得(de)到重视并(bing)成(cheng)为(wei)国(guo)际研(yan)究的热点和(he)前沿问题，先(xian)进(jin)微电子(zi)和(he)传感技(ji)术在切(qie)削(xue)刀具(ju)中的(de)进(jin)一(yi)步应(ying)用将(jiang)有助(zhu)于(yu)加强(qiang)刀(dao)具(ju)加工过程的(de)实(shi)时监(jian)测以及(ji)智能(neng)控制。

因此(ci)，在(zai)制造(zao)业(ye)发(fa)展的(de)需(xu)求牵引和机械、材料(liao)以及(ji)信(xin)息技(ji)术等交叉(cha)学科的协(xie)同(tong)驱(qu)动下(xia)，开(kai)发具(ju)有更(geng)优(you)切(qie)削(xue)性(xing)能且兼具(ju)智能(neng)化(hua)功(gong)能的(de)高(gao)性(xing)能(neng)切削(xue)刀(dao)具(ju)，将成为(wei)未来发(fa)展(zhan)的(de)重要方向(xiang)。

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