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摘 要：钛合金具有比重小、热强度高，抗腐蚀性好等特性，广泛应用于航空、航天、化工等行业，但钛合金零件的车削加工却非常困难、加工效率低。本文探讨了钛合金的车削加工措施，对如何加工这种用途广泛的难加工材料将有所帮助。
关键词：钛合金材料 切削加工 刀具材料 刀具几何参数
中图分类号：TG5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（a）-0128-01
钛合金具有比重小、热强度高、抗腐蚀性好等特性，但钛合金零件的车削加工却非常困难，加工效率低。所以怎么样攻克钛合金加工难，效率低。我们对钛合金的性能在车削加工中的影响进行了研究分析，得出了以下钛合金车削加工策略，并在实际加工中取得了良好的效果。
1 钛合金材料的类型及性能
1.1 钛合金的类型
钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882 ℃以下为密排六方结构α钛，882 ℃以上为体心立方的β钛。利用钛的两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其得到不同组织的钛合金（titanium alloys）。按基本组织分为以下三类：α合金钛，（α+β）钛合金和β钛合金，分别以TA、TC、TB表示。
1.2 钛合金的性能
1.2.1 强度、热强度高
钛合金的密度大，强度高。因此钛合金的比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料。钛的熔点为166 ℃，具有较高的热强度，可在550 ℃以下工作。
1.2.2 抗腐蚀性好
在500 ℃以下钛合金，钛合金易形成致密的氧化膜，故不易被进一步的氧化。对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。
1.2.3 导热系数小、弹性模量小
钛合金的导热系数平均是工业纯钛的一半。弹性模量约为钢的1/2，弹性模量小。
1.2.4 化学活性大
钛的化学活性大，与大气中O、N、H、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；氢含量上升，也会形成脆化层。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。
2 影响钛合金切削加工的因素
（1）热导系数小，散热条件不好，导致切削温度升高，加快刀具磨损，降低使用寿命。
（2）温度达到600 ℃以上时，形成氧化层，对刀具具有强烈的磨损作用。
（3）钛合金弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响工件的精度。
（4）钛的化学活性大，在高的切削温度下，易于相接触的金属发生亲和，导致粘结、扩散，加剧刀具磨损。
3 钛合金材料切削加工普遍原则
根据钛合金的特点和切削加工中的出现的问题，加工时需要考虑以下因素：
（1）切削速度不宜太高。实验表明切削速度越高，切削温度会随之增加，直接影响刀具的磨损和寿命。因此，要选择合适的切削速度。
（2）切削深度可较大。切削深度对切削温度影响较小，所以在合理选择切削速度的前提下，尽量增大切削深度，可以使刀具的刀尖在硬化层下工作，提高刀具的耐用度。
（3）工艺系统应具有足够的强度。机床主轴应具有较小的间隙，跳动量小；刀具伸出不易过长，保持有足够的强度；夹具夹紧力要适当，不易过大防止变形。
（4）加注充分的冷却液。由于钛合金在加工过程中，温度很高，化学活性大。在微量切削时，易出现燃烧现象，所以必须加注充分的切削液。常用的切削液有乳化液和极压水溶性切削液。
4 刀具材料、几何参数及切削用量的选择
4.1 刀具材料的选择
由于钛合金导热系数小，塑性低，易出现加工硬化等，所以切削加工钛合金时应从降低切削温度和减少粘结两方面出发，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，一般选用硬质合金刀具。常用的硬质合金刀具材料有YG8、YG3、YG8W、YG10H、YG6A、YS2T、YGRM和YD15等。
（1）粗加工时，应选择YG8、YG8W、YG10H、YG6A等。
（2）精加工时，切削量较小，可以选用YG8W、YD15等。
4.2 刀具几何参数及切削用量选择
以外圆车刀为例。
粗加工时，前角选择3°～7°，后角为8°～15°，刀尖圆弧半径为0.5～1.0 mm；切削速度25～38 m/min，切削深度3～5 mm，进给量0.3～0.5 mm/r。
精加工时，前角选择10°～15°，后角为8°～15°，刀尖圆弧半径为0.3～0.5mm；切削速度50～75 m/min，切削深度0.2～0.5 mm，进给量0.1～.0.15 mm/r。
4.3 其它参数选择
（1）磨出0.05～0.1 mm的负倒棱，增强切削刃强度。
（2）粗车时，刃倾角λ=-3°～-5°，精车时刃倾角λ=-3°～0°。
5 钛合金车削时的注意事项
（1）由于钛合金的弹性模量小，工件在加工中的夹紧变形和受力变形大，会降低工件的加工精度；工件安装时夹紧力不宜过大，必要时可增加辅助支承。
（2）车削外圆时，刀具刀尖不能高于工件中心，防止出现扎刀现象。
（3）不能使用含氢的切削液。 如果使用含氢的切削液，须采取安全防护措施，同时切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清洗零件。
（4）在车削薄壁工件和精加工时，刀具的主偏角不易过小。
（5）经清洗过的钛合金零件，要防止油脂或指印污染，防止造成盐的应力腐蚀。
6 结论
综合考虑钛合金的性能对车削加工的影响，为了成功实现钛合金的车削加工，关键是选择合理的刀具材料；合理的刀具几何参数；尽可能选择低的切削速度、较大的切削深度以及进给量，并加注充分的冷却液，最终将会取得良好的加工效果。
参考文献
[1] 周廉，赵永庆，王向东.中国钛合金材料及应用发展战略研究[M].北京：化学工业出版社，2012.
[2] 韩荣第，金远强.航天用特殊材料加工技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.
[3] 郑文虎.难切削材料加工技术[M].北京：国防工业出版社，2008.
[4] 陆剑中，孙家宁.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2011.
关键词：钛合金材料 切削加工 刀具材料 刀具几何参数
中图分类号：TG5 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（a）-0128-01
钛合金具有比重小、热强度高、抗腐蚀性好等特性，但钛合金零件的车削加工却非常困难，加工效率低。所以怎么样攻克钛合金加工难，效率低。我们对钛合金的性能在车削加工中的影响进行了研究分析，得出了以下钛合金车削加工策略，并在实际加工中取得了良好的效果。
1 钛合金材料的类型及性能
1.1 钛合金的类型
钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882 ℃以下为密排六方结构α钛，882 ℃以上为体心立方的β钛。利用钛的两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其得到不同组织的钛合金（titanium alloys）。按基本组织分为以下三类：α合金钛，（α+β）钛合金和β钛合金，分别以TA、TC、TB表示。
1.2 钛合金的性能
1.2.1 强度、热强度高
钛合金的密度大，强度高。因此钛合金的比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料。钛的熔点为166 ℃，具有较高的热强度，可在550 ℃以下工作。
1.2.2 抗腐蚀性好
在500 ℃以下钛合金，钛合金易形成致密的氧化膜，故不易被进一步的氧化。对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。
1.2.3 导热系数小、弹性模量小
钛合金的导热系数平均是工业纯钛的一半。弹性模量约为钢的1/2，弹性模量小。
1.2.4 化学活性大
钛的化学活性大，与大气中O、N、H、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；氢含量上升，也会形成脆化层。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。
2 影响钛合金切削加工的因素
（1）热导系数小，散热条件不好，导致切削温度升高，加快刀具磨损，降低使用寿命。
（2）温度达到600 ℃以上时，形成氧化层，对刀具具有强烈的磨损作用。
（3）钛合金弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响工件的精度。
（4）钛的化学活性大，在高的切削温度下，易于相接触的金属发生亲和，导致粘结、扩散，加剧刀具磨损。
3 钛合金材料切削加工普遍原则
根据钛合金的特点和切削加工中的出现的问题，加工时需要考虑以下因素：
（1）切削速度不宜太高。实验表明切削速度越高，切削温度会随之增加，直接影响刀具的磨损和寿命。因此，要选择合适的切削速度。
（2）切削深度可较大。切削深度对切削温度影响较小，所以在合理选择切削速度的前提下，尽量增大切削深度，可以使刀具的刀尖在硬化层下工作，提高刀具的耐用度。
（3）工艺系统应具有足够的强度。机床主轴应具有较小的间隙，跳动量小；刀具伸出不易过长，保持有足够的强度；夹具夹紧力要适当，不易过大防止变形。
（4）加注充分的冷却液。由于钛合金在加工过程中，温度很高，化学活性大。在微量切削时，易出现燃烧现象，所以必须加注充分的切削液。常用的切削液有乳化液和极压水溶性切削液。
4 刀具材料、几何参数及切削用量的选择
4.1 刀具材料的选择
由于钛合金导热系数小，塑性低，易出现加工硬化等，所以切削加工钛合金时应从降低切削温度和减少粘结两方面出发，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，一般选用硬质合金刀具。常用的硬质合金刀具材料有YG8、YG3、YG8W、YG10H、YG6A、YS2T、YGRM和YD15等。
（1）粗加工时，应选择YG8、YG8W、YG10H、YG6A等。
（2）精加工时，切削量较小，可以选用YG8W、YD15等。
4.2 刀具几何参数及切削用量选择
以外圆车刀为例。
粗加工时，前角选择3°～7°，后角为8°～15°，刀尖圆弧半径为0.5～1.0 mm；切削速度25～38 m/min，切削深度3～5 mm，进给量0.3～0.5 mm/r。
精加工时，前角选择10°～15°，后角为8°～15°，刀尖圆弧半径为0.3～0.5mm；切削速度50～75 m/min，切削深度0.2～0.5 mm，进给量0.1～.0.15 mm/r。
4.3 其它参数选择
（1）磨出0.05～0.1 mm的负倒棱，增强切削刃强度。
（2）粗车时，刃倾角λ=-3°～-5°，精车时刃倾角λ=-3°～0°。
5 钛合金车削时的注意事项
（1）由于钛合金的弹性模量小，工件在加工中的夹紧变形和受力变形大，会降低工件的加工精度；工件安装时夹紧力不宜过大，必要时可增加辅助支承。
（2）车削外圆时，刀具刀尖不能高于工件中心，防止出现扎刀现象。
（3）不能使用含氢的切削液。 如果使用含氢的切削液，须采取安全防护措施，同时切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清洗零件。
（4）在车削薄壁工件和精加工时，刀具的主偏角不易过小。
（5）经清洗过的钛合金零件，要防止油脂或指印污染，防止造成盐的应力腐蚀。
6 结论
综合考虑钛合金的性能对车削加工的影响，为了成功实现钛合金的车削加工，关键是选择合理的刀具材料；合理的刀具几何参数；尽可能选择低的切削速度、较大的切削深度以及进给量，并加注充分的冷却液，最终将会取得良好的加工效果。
参考文献
[1] 周廉，赵永庆，王向东.中国钛合金材料及应用发展战略研究[M].北京：化学工业出版社，2012.
[2] 韩荣第，金远强.航天用特殊材料加工技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.
[3] 郑文虎.难切削材料加工技术[M].北京：国防工业出版社，2008.
[4] 陆剑中，孙家宁.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2011.