钛合金的铣削加工技术

钛合金的铣削加工技术

钛及钛合金因密度小、比强度高、耐腐蚀、耐高温、无磁、焊接性能好等优异综合性能，在航空航天等领域得到越来越广泛应用。但是，钛合金的一些物理力学性能给切削加工带来了许多困难。切削时钛合金变形系数小、刀尖应力大、切削温度高、化学活性高、粘结磨损及扩散磨损较突出、弹性恢复大、化学亲合性高等特点，因此在切削加工过程中容易产生粘刀、剥落、咬合等现象，刀具温度迅速升高，导致刀具磨损，甚至完全破坏。

正因为钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点，从20世纪50年代开始，钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，可以减轻飞机的重量，提高结构效率。在飞机用材中钛的比例，客机波音777为7%，运输机C-74为10.3%，战斗机F-4为8%。但是由于钛合金价格高，耐磨性差等原因，限制了其使用领域。

近几十年以来，国内外针对航天航空应用所研究的钛合金等均取得了很大进步，许多合金也得到广泛应用。本文针对航天航空产品中钛合金铣削加工技术进行论述，供同行们参考。

1. 钛合金简介

钛是同素异构体，熔点为1 720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：

（1）α钛合金它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。

（2）β钛合金它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1 372～1 666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

（3）α +β钛合金它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%～100%；高温强度高，可在400～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。

三种钛合金中最常用的是α钛合金和α +β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α +β钛合金代号为2. 钛合金铣削加工时切屑的形成

由于钛合金工件材料有不同的种类，各种材料的切削加工性不同，切削条件不同，切削变形的程度也就不同，因而所产生的切屑形态也就多种多样。归纳起来，可分为以下四种类型：带状切屑、节状切屑（锯齿状切屑）、粒状切屑及崩碎切屑，如图1所示。锯齿状切屑

可导致切削力高频率地周期变化波动，而且会增加刀具磨损速率，降低加工表面质量，甚至

会降低零件的加工精度，因此切屑的形成机理研究是有助于加工中其他现象的研究和解释的。

（1）切削速度对切屑形成的影响有研究表明，对于低导热性和高加工特性的钛合金可

以在1.5～4 800m/min很宽的切削速度范围内形成锯齿状切屑，随着速度的增加，锯齿化程

度加重，直至成分离的单元切屑。

在铣削加工中，切削参数中切削速度对于切屑形态具有最重要的影响。切削速度对形成

锯齿状切屑的作用，一方面是随着切削速度的提高，应变速度加大，导致脆性增加，易于形

成锯齿状切屑；另一方面，切削速度的提高，引起切屑温度的增加，致使脆性减少。因此，

提高切削速度对于锯齿状切屑的形成是综合作用的结果。对于锯齿状切屑的形成机理，现有

绝热剪切理论（Adiabatic shear theory）和周期性脆性断裂理论（Periodic brittle fracture）两大理论体系。

（2）剪切角对切屑变形的影响剪切角φ和切削变形有十分密切的关系。φ若减小，

切屑便变厚变短，变形系数便增大；相反φ若增大，切屑便变薄变长，变形系数就会减小。切削开始时，随着切削速度的增加，摩擦系数β增加，剪切角φ减小，切屑增加；但是在

高速切削范围，随着切削速度的提高，摩擦系数β减小，剪切角φ增大，切削力降低。在

铣削加工过程中，剪切过程如图2所示。

（3）钛合金切屑的变形系数切屑变形系数是切削层长度与切屑长度的比值，反映切削

过程的塑性变形程度。一般来说变形系数越大塑性变形越大，钛合金的变形系数近似为1，

甚至小于1，其原因就是钛合金切削过程中变形不均匀，集中剪切变形生成节状切屑，切屑

成锯齿状造成的。切屑变形系数公式为