1、前言

Ti75合金是我國(guó)“七五”、“八五”期間自行設(shè)計(jì)研制的730 MPa強(qiáng)度級(jí)薪型艦船動(dòng)力裝置用近α型中強(qiáng)、高韌、耐蝕、可焊鈦合金，該合金在艦船、石油、化工、機(jī)械、生物工程鐐領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

中國(guó)船舶重工集網(wǎng)菜研究所電機(jī)用鈦合金轉(zhuǎn)子支架及輔件，全部采用新型Ti75合金材料。由于這種新型鈦合金屬于難切削材料，對(duì)其進(jìn)行機(jī)械加工尚屬首次。因此在制造轉(zhuǎn)子支架過程中，我們對(duì)Ti75鈦合金的切削加工技術(shù)進(jìn)行了一些探索。

該支絮及輔件大部分加工過程需要通過銑削來(lái)完成。而在Ti75合金的機(jī)械加工過程中，銑削尤為困難，主要問題是切削區(qū)域容易與鈦發(fā)生粘結(jié)，刀齒易崩刃、剝落和咬合，導(dǎo)致刀具磨損甚至破壞，使銑削加工無(wú)法進(jìn)行。為解決這一難題，本研究對(duì)銑削加工刀具和切削方式進(jìn)行了研究，著重分析了刀具磨損的原因幫機(jī)理，并提出了減少磨損的方法和措施。

2、Ti75合金的切削加工特點(diǎn)

2.1 Ti75合金的力學(xué)性能

Ti75合金名義成分為Ti-3Al-2Mo-2Zr。退火態(tài)Ti75合金材料的室溫力學(xué)性能見表1。

與全α型TA5相比，Ti75合金具有如下特點(diǎn)：強(qiáng)度高出50MPa；沖擊韌性和斷裂韌性分別是TA5鈦合金的1.4倍和1.2倍，KIC為TA5鈦合金的2倍；其有優(yōu)異的冷、熱加工工藝性能以及低的雜質(zhì)敏感性。

2.2 Ti75合金的切削加工特點(diǎn)

1)變形系數(shù)小。

主要因?yàn)椋?a href="http://m.jian114.cn" target="_blank">Ti75鈦合金的塑性小(尤其在加工中)，切削收縮小；導(dǎo)熱系數(shù)小，在高的切削溫度下引起鈦的轉(zhuǎn)變，引起切削增長(zhǎng)；在高溫下，鈦屑吸收了周圍介質(zhì)中氧、氫、氮等氣體而脆化、喪失塑性， 切削不再收縮，使得變形減小。

2)切削溫度高。

切削Ti75合金時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度比相同條件下切削其他材料時(shí)高1倍以上，且溫度最高處就在切削刃附近狹小區(qū)域。

3)主切削力小，而背向力大。

主切削力小的原因在于，切削Ti75合金時(shí)變形系數(shù)小；背自力大的原因在于，Ti75合金彈性模量小，變形回彈造成后面壓力增大。

4)切削呈擠裂狀，加工表面易生成硬脆變質(zhì)層。

融于Ti75合金的化學(xué)活性大、高溫下易與大氣中的氧、氫、氮等發(fā)生強(qiáng)烈化學(xué)反應(yīng)，生成硬脆層。這樣，一方面使得切削是擠裂屬屑(且不隨切削條件而改變)；另一方面使得加工表面層產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，降低疲勞強(qiáng)度，也加劇了刀具磨損。

5)粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重。

由于Ti75的親和力大，加之高溫高壓作用，切削時(shí)易產(chǎn)生嚴(yán)重粘刀、剝落、咬合等現(xiàn)象，刀具溫度迅速升高，導(dǎo)致刀具粘結(jié)磨損，甚至完全破壞。

3、刀具磨損的原因和機(jī)制

在Ti75含金的機(jī)械加工過程中，Ti75合金的銑削尤為困難，主要問題是切削區(qū)域容易與鈦發(fā)生粘結(jié)，刀齒易崩刃，刀具耐用度低。在加工時(shí)，銑刀是進(jìn)行間斷加工，銑刀的每個(gè)刀齒在銑削1轉(zhuǎn)中只 有一段作銑削工作，而其余的過程中切屑都粘附在刀齒上。另外，切削Ti75合金時(shí)，銑削工作區(qū)的溫度高達(dá)1200℃以上，切削力又大，而且切屑和刀具前面接觸面積較小，高溫集中在一個(gè)很小的面積 上，這樣就容易使刀具磨損。

切削Ti75合金時(shí)，刀具磨損主要都是在高溫?zé)嵝?yīng)作用下而產(chǎn)生的磨損。銑床大多使用高速鋼刀具，由于其切削溫度比高速鋼和Ti75合金的黏結(jié)溫度要低，因而采用高速鋼刀具進(jìn)行切削，粘附磨損 不是刀具磨損的主要原因，主要磨損原因是高溫?zé)嵝?yīng)作用下，高速鋼刀具材料迅速軟化，失去硬度和強(qiáng)度而引起。當(dāng)切削速度較低時(shí)，切削溫度不高就可以解決高速鋼軟化問題。而對(duì)硬質(zhì)合金來(lái)講，磨損主要是粘結(jié)溫度所引起粘附的磨損。

銑削加工是不連續(xù)的切削過程，斷續(xù)切削時(shí)除了沖擊負(fù)荷的作用影響刀具的壽命外，還有粘附剝脫磨損，嚴(yán)重影響刀具的壽命。

以逆銑為例(如圖1)，切削過程中切屑粘在刀齒前面上，在高溫的切削熱作用下，粘在刀齒上的切屑變軟，其硬度也不大。但是當(dāng)銑刀齒切出工件表面后刀齒不工作時(shí)，一經(jīng)冷卻，粘在刃齒上的受熱軟化了的切屑也就冷卻下來(lái)，于是又恢復(fù)原來(lái)的強(qiáng)度。當(dāng)下一次(第2轉(zhuǎn))這個(gè)刀齒在切入工件時(shí)，這個(gè)強(qiáng)度很高的粘在刃齒上的切屑就被硬材料碰掉。在它被碰掉時(shí)就會(huì)因與刀齒粘附得很緊而奪取刀具工作面上的金屬分子質(zhì)點(diǎn)(特別上是硬質(zhì)合金刀具)，引起刃具工作表面的“剝脫磨損”，甚至引起“崩刃”，使刀具迅速破壞。如果沒有崩刀，但是刀具前角面由于被切屑粘掉一部分，造成粗糙不平。

當(dāng)這帶有粗糙不平的表面第2次切入工件時(shí)，就會(huì)使切屑在工工作面上流動(dòng)困難，產(chǎn)生“停滯”、“集屑”現(xiàn)象，長(zhǎng)成刀瘤，就無(wú)法進(jìn)行下一次切削。所以在斷續(xù)切削時(shí)容易產(chǎn)生“刀瘤’’，而在連續(xù)切削時(shí)不容易出現(xiàn)刃瘤。在銑削題Ti75合金時(shí)，為了減少刀具的這種剝脫磨損及崩刀、集瘸等現(xiàn)象，可以采用順銑的方法加以改善。

當(dāng)順銑時(shí)(如圖2)，切削的深度由大變小，切屑由厚變薄。在順銑時(shí)總是薄的一邊最后離開刀齒，切屑容易折斷，而而且慣性力往往使切屑在冷卻之前就和刃齒脫離，因而切屑由于粘附而奪取刀齒工作

面的分子就少，刀具壽命自然就會(huì)提高了。根據(jù)以往的加工經(jīng)驗(yàn)，順銑比逆銑刀輿壽命要提高1倍多。

另外，可以采用不對(duì)稱的立銑方法加工Ti75合金，刀具壽命可提高2～3倍，如圖3。此方法要注意切出端一定要比切入端的切屑薄，切削過程類似順銑。

4、減少刀具磨損的方法和措施

在銑削Ti75合金時(shí)，為提高工件精度和刀具壽命，除采用順銑或不對(duì)稱立銑外，還需采取以下措施；

1）在銑削Ti75合金時(shí)，最好采用機(jī)動(dòng)進(jìn)給，而不采用手動(dòng)進(jìn)給，以免刀具在工件上打滑，產(chǎn)生加工硬純，使刀具港磨損和粘結(jié)。

2）在銑削Ti75合金時(shí)，裝夾剛性要足夠大，工件不產(chǎn)生振動(dòng)歪扭現(xiàn)象。

3）切削速度是影響刀具壽命最關(guān)鍵的因素，銑削Ti75合金時(shí)宜采用低速度切削。

4）銑削時(shí)選擇適適當(dāng)?shù)牡毒撸诓灰蟾呱a(chǎn)率時(shí)，除了硬質(zhì)合金刀具外，還可選用高速鋼刀具，因它具有較高的韌性和較好的抗破碎能力，一般能達(dá)到滿意的加工效果。

5）選用刀具時(shí)，刀具的直徑小、齒數(shù)多者為好，這樣可以減少偏斜和振動(dòng)，在切削過程中不允許刀具在工件上停留和空刀回行程。

6）在銑削Ti75合金時(shí)，后角是最關(guān)鍵的角度。

適當(dāng)增大后角可提高刀具的耐用度，通過修改標(biāo)準(zhǔn)高速鋼刀具的后角(比標(biāo)準(zhǔn)銑刀的后角增加30％～50％)，可減少刀具對(duì)工件的壓力、偏斜和負(fù)荷，提高刀具的壽命。

5、結(jié) 語(yǔ)

通過不斷探索試驗(yàn)，實(shí)旌以上工藝方法，終于攻克了Ti75鈦合金不易銑削的難題，順利完成了轉(zhuǎn)子支架及輔件的制造，產(chǎn)品質(zhì)量贏得了軍方的高度贊譽(yù)。這一試驗(yàn)愆成功，為Ti75合金的切削加工積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)拓寬了鈦材的機(jī)械加工領(lǐng)域。

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