钛合金车削的热效应与刀具磨损分析

切削温度高和热导率小是钛合金材料的显著特性。钛合金的热导率只相当于45钢的1/7～1/5，车削中产生的热不易传出，而是集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，导致切削区的温度高达1200℃左右。因此，钛合金车削刀具的磨损主要是在高温热效应作用下产生的。

钛合金材料的弹性回复大、化学亲和性强，所以加工过程中，在高温的作用下，容易产生粘刀和咬合现象。当工件材料硬度小于300HBW时，粘刀现象更为严重；加上切削力的作用，刀具易发生粘接磨损。用硬质合金车刀加工时主要是粘接磨损，它比高速工具钢刀具的粘接磨损要严重得多。

导致钛合金车削中刀具磨损的另一个原因是加工中的冷硬现象。在高的切削温度下，刀具表面很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮，同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化，而冷硬现象会加剧刀具磨损。

车削钛合金时，应选用热硬性好、抗弯强度高、导热性能好的刀具材料，决不能使用含钛的刀具，因为含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲和，会使刀具很快磨损。因此，车削钛合金时使用YG类硬质合金比较合适，其刀具牌号有YG8、YG3、YG6X、YG6A、YW2、YS8、YS2T和YD15等。

1.钛合金车削加工的基本原则

（1）切削速度适当小些 切削速度对切削刃温度的影响大，试验结果表明：当切削速度为6m/min时，硬质合金刀具的刀尖温度为430℃；当速度提高到45m/min时，刀尖温度剧增到930℃。而刀尖温度的高低直接影响着刀具的寿命，所以选择合适的切削速度是很重要的。一般用20～100m/min的切削速度较为适宜。

（2）适当增大进给量 进给速度对车刀切削刃温度的影响较小，例如，进给量从0.05mm/r增加到0.5mm/r时，刀尖温度只上升150℃。所以，采用较小的切削速度，增大进给量对钛的切削是有利的。特别是在粗加工时，要保证切削刃完全进入被切削的钛材料表面内，以减少刀具磨损和避免崩刃现象。

（3）切削过程中不要停止走刀 切削中途若停止走刀，切削刃和被切削材料就会在高负荷下急剧相互摩擦，容易引起钛的加工硬化，产生烧结和挤裂而损坏刀具。

（4）尽量使用切削液 使用切削液可以把刀具切削刃位置的热量带走和冲走钛材料的切屑，从而降低切削力。常用切削液有水、碱性水溶液及水溶性切削油等。粗加工时，采用浓度为3%～5%的乳化液或10%～15%的极压乳化液；精加工时，采用极压切削油或极压水溶液、CCl₄加等量的酒精。铰孔时，采用极压切削油或蓖麻油、油酸、硫化油、氯化油、蓖麻油（60%）+煤油（40%）。

2.刀具和切削用量的选择

钛合金车削刀具，除了应正确选择刀片材料外，还应合理确定几何角度。

车削外圆时，刀具主切削刃棱边为f=0.3～0.7mm，棱边前角γ_of=0°，前角γ_o=10°～15°，主偏角κ_r=45°（或κ_r=75°），后角α_o=15°，副偏角κ_r′=65°，刀尖圆弧半径r=0.6mm，刃倾角λ_s=0°。

在刀架上安装该车刀时，切削刃的高度应比工件的回转中心低0.3～0.6mm，其作用是在保证刀具刚性和强度的前提下增大刀具后角，减少已加工面与刀具后刀面的接触面积，降低已加工面与刀面的摩擦所引起的加工硬化程度，降低切削温度，提高刀具的使用寿命，减小已加工表面的挤压应力。

粗加工时，切削速度v_c=50～70m/min，进给量f=0.2～0.35mm/r，背吃刀量a_p=1.5～2.5mm。半精加工时，切削速度v_c=50～70m/min，进给量f=0.15～0.25mm/r，背吃刀量a_p=1.0～1.5mm。精加工时，切削速度v_c=50～70m/min，进给量f=0.05～0.15mm/r，背吃刀量a_p=0.10～0.50mm。

对钛合金工件进行切断加工时，可使用图6-27所示的车刀。它采用三段主切削刃，这样可以提高主切削刃的强度；b₁=b/3，以改善切入条件。前角γ_o=-5°～-2°，侧切削刃与主切削刃成135°角，刀柄高度H=（8～15）B，这样可以改善切削力对刀具作用点的位置，减少刀具在加工中的振动，增加刀头的冲击强度，提高刀具的刚性。

在刀架上安装该刀具时，切削刃的高度应比工件的回转中心低0.3～0.6mm。

图6-27 钛合金工件切断车刀(www.xing528.com)

切断ϕ30～ϕ50mm的钛合金工件时，切削速度v_c=20～50m/min，进给量f=0.1～0.2mm/r。

3.钛合金加工示例

被加工工件是细长轴，如图6-28所示。该工件的材料为TC4，其弹性模量小，约为钢的1/2；直径小（ϕ4mm）、长度大（320mm），在径向切削力的作用下，很容易弯曲变形，难以进行加工。下面介绍其加工情况。

（1）分段车削 某厂加工该工件时，采用了分段车削的方法：将320mm长的工件毛坯分为115mm、40mm、50mm、60mm和55mm五段，分别进行加工，如图6-29所示。

图6-28 细长轴工件

图6-29 钛合金细长轴分段加工示意图

先把115mm段加工到ϕ4mm（图6-30a），然后利用弹性夹头安装工件，以加工好的ϕ4mm外圆定位装夹（图6-30b），伸出量为210mm，把40mm段加工到ϕ4mm。松开弹性夹头，将工件塞进去，使其伸出量为170mm（图6-30c）。夹紧后，把50mm段加工到ϕ4mm，依此类推，将60mm、55mm段加工到ϕ4mm（图6-30d、e），最后将两端分别车出螺纹M4×25mm。

图6-30 分段加工情况

a）加工ϕ4mm×115mm段 b）加工ϕ4mm×40mm段 c）加工ϕ4mm×50mm段 d）加工ϕ4mm×55mm段 e）加工ϕ4mm×60mm段

由于是分段加工，往往会出现接刀痕。解决的办法是精车ϕ4mm时，开车后，在刀尖距离进刀处2～3mm时，将中滑板刻度盘进到ϕ4mm尺寸的“0”位，反向进给后退刀。然后按以上步骤，把刻度再进到ϕ4mm尺寸的“0”位，再反向进给。最后用细砂纸打磨，表面粗糙度值可达Rɑ0.8μm，看不出接刀痕。

分段加工的实质是减小实际加工段的长度，提高车削加工过程中工件的刚度，减小工件的弯曲变形，这样可避开在振动、让刀现象最严重的中间部位进行加工。

切削加工过程中，工件之所以会产生弯曲变形，是因为有切削力的作用和切削热的影响，尤其是径向切削力容易把工件顶弯以及引起振动和让刀现象。对切削力影响最大的是背吃刀量a_p，其次是进给量f。受切削热的影响工件会产生线胀，工件受挤压而产生弯曲变形。对切削温度影响最大的是切削速度v_c，其次是进给量f。该工件切削用量的选择情况为：粗加工时，a_p=0.14～1.5mm，f=0.06mm/r，v_c=15～24m/min；精加工时，a_p=0.02～0.08mm，f=0.03mm/r，v_c=10m/min。

（2）反向进给车削 采用反向进给车削的目的是减小进给力P_x对工件弯曲变形的影响。正向进给时，刀具由尾座向车床主轴方向移动，这时P_x是压力；而采用反向进给，刀具由车床主轴朝尾座方向移动时，P_x是拉力。很明显，细长轴在压力的作用下容易产生弯曲变形，而在拉力的作用下不会产生弯曲变形，所以反向进给的平稳性比正向进给要好。

（3）刀具几何角度 为了提高刀具的使用寿命并减小背向力，选用YS8硬质合金刀片进行车削，其刀具几何参数为：刀尖角ε_r=60°，刀尖圆弧半径r=0.3～0.5mm，主偏角κ_r=70°，前角γ_o=5°～8°，后角α_o=4°～8°，刃倾角λ_s=-4°～-2°。