钛合金的超高速切削加工技术研究
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作者: 周利华 苏桂生
摘 要： 本课题针对钛合金的难加工性，在阐述影响材料切削加工性因素的基础上，着重就超高速切削钛合金的可行性、切削速度范围，从及刀具的匹配等进行了探索研究。
关键词： 钛合金 超高速切削加工 切削加工性
随着先进制造技术愈来愈广泛地应用于制造业，超高速切削技术应用于钛合金的切削加工显现出了明显的优越性。本文主要就超高速切削钛合金过程中对刀具耐用度、加工效率和加工质量等影响极大的刀具材料重点阐述，以寻求刀具与钛合金的最佳匹配。
钛合金化学亲和力大，导热性差且强度高，使切削温度大幅提高、刀具磨损加剧，用传统的加工方法难以加工。长期以来，改善钛合金切削加工性的途径一直在探索中，合理选择刀具材料及刀具几何参数、合理制定切削用量、采用适当的切削液等均可在不同程度上提高难加工材料的切削加工性。迄今已经有了一些方法，常用的有专门热处理、加热切削、向切削区引入超声波及振动等。但这些方法普遍存在着效率低、成本高且加工质量难保证等弊端。而超高速切削加工可大幅提高钛合金加工的生产效率及加工质量。
1.超速切削的特点及刀具材料
（1）高速切削技术
高速切削是一个相对概念，如何定义，目前尚无共识。通常把切削速度比常规高出5―10倍的切削加工叫做高速切削或超高速切削。按不同加工工艺规定的高速切削范围，车削700―7000m/min，铣削300―6000m/min，钻削200―1100m/min，磨削150―360m/s，这种划分比常规切速几乎提高了一个数量级，而且有继续提高的趋势。
高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件与软件技术均得到充分发展的基础之上综合而成的。因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，涉及机床、刀具、工件、加工工艺过程参数及切削机理等诸多方面。
该技术为“轻切削”方式，每一刀切削排屑量小，切削深度小，即ap与ae很小。其有以下几个优点。
加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的3―5倍。
刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数ξ减小，切削力降低30%―90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。
刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。
材料切除率高，工件表面质量好。首先，ap与ae小，工件粗糙度好。其次，切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量，工件表面鳞刺的高度会显著降低，甚至完全消失。超高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5―10倍。这样，单位时间内材料的切除率可提高3―5倍。
高速切削刀具热硬性好，且切削热量大部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿色加工。
可完成高硬度材料和硬度高达HRC40―62淬硬钢的加工。如采用带有特殊涂层（TiAlN）的硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工（EDM）的3―6倍，而且表面质量很高（Ra0.4），基本上不用钳工抛光。
（2）超高速切削的刀具材料
由于超高速切削的速度比常规切削速度高几倍甚至十几倍，切削温度很高，因此超高速切削对刀具材料提出了更高的要求。刀具材料应具备高的耐热性、抗热冲击性，良好的高温力学性能，以及较高的可靠性。目前国内外用于超高速切削的刀具材料主要有涂层硬质合金、TiC（N）基硬质合金、陶瓷刀具、聚晶金刚石PCD和立方氮化硼等。
2.超高速切削钛合金
超高速切削钛合金是在高应变率响应的作用下，改善其加工性能，从而得到高的加工质量。超高速切削钛合金的速度一般控制在150―1000m/min范围。
超高速切削钛合金的关键技术除了切削速度外，还有刀具主轴单元及进给单元制造技术、机床支承及辅助单元制造技术、加工测试技术等诸多因素。
根据钛合金自身对刀具材料的要求，以及超高速切削对刀具材料提出的特殊要求，研究发现适宜于超高速切削的几种常用的刀具材料与钛合金的匹配性存在很大差异。
PCD刀具的性能很适宜于加工钛合金，原因有：①很好的导热性。由于导热系数及热扩散率高，切削热容易散出，故切削温度低。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5―9倍。②较低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小得多，约为高速钢的1/10。③极高的硬度和耐磨性，金刚石刀具在加工高硬度材料时，耐用度为硬质合金刀具的10―100倍，甚至高达几百倍。
3.结语
采用超高速切削难钛合金这一加工材料，解决了常规切削钛合金的难题，既保证了加工质量，又大幅度提高了生产率，具有良好的发展前景。超高速切削技术用于难加工材料的加工正在逐渐成熟，如何进一步完善超高速切削钛合金的加工技术，是有待进一步研究的课题。
参考文献：
［1］左敦稳，黎向锋，赵剑峰.现代加工技术.北京：北京航空航天大学出版社，2005.3.
［2］荣烈润.高速切削技术的发展现状.机电一体化，2002.8，（1）：6-9.
［3］盛晓敏，邓朝晖.先进制造技术.北京：机械工业出版社，2000.
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