鈦錠切削加工的問(wèn)題及對(duì)策

序言鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗蝕性強(qiáng)和耐高溫等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工及生物醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)行業(yè)和一些新興行業(yè)對(duì)鈦產(chǎn)品需求不斷增加，進(jìn)而引起鈦產(chǎn)品的毛坯（鈦錠）需求量陡增。同時(shí)，對(duì)鈦錠的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，但鈦錠車削加工困難，給實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)一些問(wèn)題，嚴(yán)重妨礙生產(chǎn)效率和成材率的提高。因此，根據(jù)鈦錠加工特點(diǎn)研究最佳的刀具參數(shù)和切削用量尤為重要。2鈦合金切削加工特點(diǎn)（1）變形系數(shù)小鈦合金切削變形系數(shù)ε≈1，而普通碳鋼的變形系數(shù)ε≈3，在切削過(guò)程中，切屑在刀具前刀面接觸時(shí)間很短，導(dǎo)致切削力在切削刃附近過(guò)于集中，因而加快了磨損。（2）切削溫度高鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低（約為鋼的1/5），造成切削過(guò)程產(chǎn)生的大量熱量集中在刀具與工件擠壓的區(qū)域，高溫會(huì)加速硬質(zhì)合金中黏結(jié)劑Co的擴(kuò)散，從而使刀具硬度下降，磨損加劇。（3）冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重因?yàn)殁佋诟邷叵禄瘜W(xué)性質(zhì)活潑，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮，同時(shí)切削過(guò)程中的塑性變形也會(huì)造成表面硬化，加劇刀具磨損。（4）刀具磨損嚴(yán)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(shí)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(diǎn)來(lái)看，鈦合金在切削過(guò)程中需要考慮的條件復(fù)雜，其材料是一種非常難加工的材料，其加工也是近年來(lái)切削加工領(lǐng)域的熱門課題。3鈦錠生產(chǎn)現(xiàn)狀及切削存在問(wèn)題（1）鈦錠生產(chǎn)工序目前，國(guó)內(nèi)主要采用真空自耗電弧爐（VAR）熔煉鈦錠。對(duì)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(chǎn)直徑為720mm的TC4合金錠為例，其生產(chǎn)流程如圖1所示。圖1鈦錠生產(chǎn)流程流程圖中φ580mm和φ650mm這兩種規(guī)格的鈦錠只平頭不剝皮，目的是去除飛邊、錠冠，為熔煉做準(zhǔn)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(wèn)題

鈦錠切削過(guò)程（見(jiàn)圖2）主要存在以下問(wèn)題：①導(dǎo)熱性差，刀具磨損嚴(yán)重，切削效率低。鈦的導(dǎo)熱性很差，切削時(shí)大量的熱集中在刀頭上，刀頭容易磨損。同時(shí)，切削過(guò)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(jī)床的徑向振動(dòng)，對(duì)刀頭沖擊力大，磨損嚴(yán)重。在切削過(guò)程要不斷更換、磨刀和調(diào)整夾持，再加之鈦合金本身難加工，切削速度低。因此，機(jī)床一般選剛性好、功率大、間隙小、徑向圓跳動(dòng)小的重型機(jī)床。通常在鈦錠生產(chǎn)周期中，平頭和剝皮加工就占了1/3以上的時(shí)間，如生產(chǎn)一只牌號(hào)為TC4的鑄錠，機(jī)械加工時(shí)間約40h，加工TC18、TC21等高強(qiáng)度鈦錠，則需要更長(zhǎng)的加工工時(shí)。因此，鈦錠機(jī)械加工耗時(shí)長(zhǎng)，嚴(yán)重制約著生產(chǎn)效率的提高。②切屑形態(tài)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(shí)由于變形系數(shù)小，容易擠裂切屑，微觀形態(tài)表現(xiàn)為鋸齒狀形態(tài)（見(jiàn)圖2d）。在切削純鈦錠時(shí)，容易出現(xiàn)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(chǎn)生的切屑給搬運(yùn)、存儲(chǔ)也帶來(lái)一定困難。③硬質(zhì)合金刀具帶來(lái)鎢污染風(fēng)險(xiǎn)。目前鈦合金切削使用最普遍的仍是鎢鈷類硬質(zhì)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(jié)劑金屬，其熔點(diǎn)是3410℃，一旦引入半成品錠中，在熔煉時(shí)是不被熔化的（因熔池溫度只有2000℃左右），后期的加工也無(wú)法消除。鈦合金廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的重要承力構(gòu)件，由鎢污染造成的質(zhì)量缺陷，有可能導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。因此，鈦及鈦合金在機(jī)械加工過(guò)程中，杜絕鎢污染成為評(píng)判鈦合金質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。鈦錠切削過(guò)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(guò)程刀具的磨損擴(kuò)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(jiàn)圖2a），切削時(shí)造成的間歇性交變沖擊力，更容易發(fā)生以上兩種情況。因此，對(duì)刀具參數(shù)和切削用量選擇要謹(jǐn)慎對(duì)待。④冷硬現(xiàn)象比較嚴(yán)重。鈦在高溫下性質(zhì)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(yīng)，生成其化合物，致使表面硬化、脆化，甚至粘結(jié)在刀頭上，造成粘結(jié)磨損，加劇刀具的磨損、崩裂，同時(shí)，給準(zhǔn)確取樣和回收鈦屑帶來(lái)困難。⑤盡量不用切削液。半成品鈦錠平頭時(shí)如使用切削液有可能污染鈦錠，造成重熔后引入新雜質(zhì)。成品錠切削時(shí)使用切削液對(duì)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(lái)更大的困難。近年，也有學(xué)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(fēng)切削加工和低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑加工等綠色加工技術(shù)。a）待平頭一次錠

b）切屑纏繞

c）刀具崩刃

d）異常切屑

e）成品錠表面圖2鈦錠切削過(guò)程4對(duì)策分析正確選擇刀具參數(shù)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(chǎn)成本最為直接有效的辦法。4.1刀具材質(zhì)和主偏角選擇常用刀具分為四大類，即工具鋼刀具、硬質(zhì)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(fù)雜性，刀具需具有一定的抗沖擊性和耐磨性，行業(yè)內(nèi)長(zhǎng)期實(shí)踐的結(jié)果還是選擇硬質(zhì)合金刀具（如YG8）最為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。刀具主偏角在相同進(jìn)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(zhǎng)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(shí)，徑向力增大，軸向力減??；主偏角增大時(shí)，徑向力減小，軸向力增大，也就是主偏角可以調(diào)整徑向力和軸向力。在鈦錠切削時(shí)，既需要一定的切削深度（徑向力），又要延長(zhǎng)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(jìn)行平頭加工，也能進(jìn)行外圓剝皮加工。減少換刀次數(shù)和刀具數(shù)量，提高效率，降低成本。4.2刀具參數(shù)選擇（1）刀尖

刀尖是刀具最薄弱的部位，切削環(huán)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(zhǎng)刀具耐磨度。在通常的機(jī)械加工手冊(cè)中刀尖半徑推薦為0.2～2.4mm。但是在鈦錠剝皮中，應(yīng)選擇盡可能大的刀尖半徑以獲得最高的強(qiáng)度。增大刀尖半徑，既增加了刀尖強(qiáng)度，又可以使用大進(jìn)給提高切削效率。然而并非刀尖半徑越大越好，因?yàn)殡S著刀尖半徑的增大，徑向分力也增大，振動(dòng)也會(huì)加大，因此根據(jù)鈦錠剝皮的特點(diǎn)和YG8刀具的強(qiáng)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(jiān)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(shí)與前刀面的摩擦阻力，有利于散熱和切削。但是，增大前角會(huì)使楔角減小，又會(huì)使切削刃強(qiáng)度降低、熱量過(guò)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。圖3刀具前角受力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(qiáng)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(diào)整切削刃的鋒利程度和強(qiáng)度的角，它的主要作用是減小切削過(guò)程中加工表面與刀具后刀面之間的摩擦力，因而它對(duì)刀具壽命和加工表面質(zhì)量有很大的影響，刀具后角與接觸層長(zhǎng)度的關(guān)系如圖4所示。圖4刀具后角與接觸層長(zhǎng)度的關(guān)系因鈦合金彈性模量小，在切削時(shí)加工表面的回彈很明顯，由圖3可知要延長(zhǎng)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(qiáng)度，導(dǎo)致刀具過(guò)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(qū)剖面形式如圖5所示。鋒刃型半徑很小，切削刃很鋒利（見(jiàn)圖5a），但是鋒刃的抗沖擊性能差，即使切削過(guò)程遇見(jiàn)小突起，都極有可能導(dǎo)致崩刃。鈍圓型切削刃（見(jiàn)圖5c），不但在提高切削刃強(qiáng)度方面獲得與負(fù)倒棱型（見(jiàn)圖5b）同樣的效果，而且比負(fù)倒棱型更有利于消除刃區(qū)微小裂紋。同時(shí)，在切削過(guò)程中對(duì)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(zhì)量，還提高了刀具的壽命。因此，鈦錠切削應(yīng)選用倒棱型和鈍圓型這兩種前刀面形狀。a）鋒刃型b）負(fù)倒棱型c）鈍圓型圖5刃區(qū)剖面形式（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(dāng)?shù)都鉃橹髑邢魅猩献罡唿c(diǎn)時(shí)，則λS＞0°；當(dāng)?shù)都鉃橹髑邢魅猩献畹忘c(diǎn)時(shí)，則λS＜0°；當(dāng)主切削刃與基面平行時(shí)，則λS＝0°。多數(shù)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(guān)系如圖6所示。刃傾角的選擇原則：①精加工時(shí)刃傾角一般取正值，粗加工時(shí)刃傾角取負(fù)值。②斷續(xù)切削時(shí)刃傾角應(yīng)取負(fù)值。③工藝系統(tǒng)剛性好時(shí)，刃傾角可加大負(fù)值。圖6刃傾角與切削刃受沖擊位置的關(guān)系鈦錠切削為粗加工，且切削時(shí)存在間歇性交變沖擊力，應(yīng)該選用負(fù)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(zhǎng)刀具壽命，同時(shí)也減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。斷屑槽的形狀及尺寸，需結(jié)合切屑性質(zhì)、刀具參數(shù)及切削用量選擇，斷屑槽截面形狀如圖7所示。圖7斷屑槽截面形狀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(jù)鑄錠實(shí)際氧化皮厚度、皮下缺陷深度靈活調(diào)整，一般情況單邊去除量8～12mm。切削時(shí)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(guò)早磨損和崩裂。當(dāng)然，切削過(guò)程還要考慮成材率，不能扎入太深降低成材率。（2）進(jìn)給量

進(jìn)給量對(duì)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(nèi)部缺陷，對(duì)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(shè)備系統(tǒng)所能承受的范圍內(nèi)采用最大進(jìn)給量。因強(qiáng)度原因，加工合金錠進(jìn)給量選0.8mm/r，加工純鈦錠進(jìn)給量選1.4mm/r。（3）切削深度、進(jìn)給量和切削速度的匹配

鈦合金切削容易產(chǎn)生鋸齒形切屑，導(dǎo)致切削力高頻率周期波動(dòng)，進(jìn)而使單位切削力增大，切削溫度升高刀具磨損嚴(yán)重，采用低速、大進(jìn)給量、大切削深度的方法，可以降低鋸齒形切屑產(chǎn)生的頻率。5實(shí)例驗(yàn)證在機(jī)加車間，將青島銘泰機(jī)床廠的CG84125-4500重型軋輥車床作為試驗(yàn)機(jī)，使用YG8硬質(zhì)合金的整體式焊接車刀，用如下刀具參數(shù)（見(jiàn)表1）和切削參數(shù)（見(jiàn)表2），分別對(duì)規(guī)格為φ720mm×1650mm，質(zhì)量為3t的純鈦錠（TA1）和鈦合金錠(TC4)外圓進(jìn)行車削剝皮。表1切削TA1錠和TC4合金錠刀具參數(shù)表2切削TA1錠和TC4合金錠切削參數(shù)因合金強(qiáng)度高，切削難度大，為了保護(hù)刀具強(qiáng)度，所以沒(méi)有開(kāi)切削槽。從切削效率、換刀次數(shù)、切屑形貌與未改進(jìn)前進(jìn)行對(duì)比，純鈦切削時(shí)間均縮