1、引言

鈦合(he)金具有比強(qiang)度高(gao)、耐腐蝕性能和低溫性能好及(ji)熱強(qiang)度高(gao)等(deng)優點，是航空(kong)(kong)航天(tian)工業中(zhong)廣泛使用的材料(liao)[1]。國(guo)內(nei)航空(kong)(kong)、航天(tian)及(ji)軍工等(deng)行業已經開展了(le)對(dui)鈦合(he)金材料(liao)高(gao)速銑削的研究(jiu)和應用，加工零件以結構件為主(zhu)，主(zhu)要(yao)解決加工效(xiao)率(lv)和刀具耐用度的問題[2]。

TB18鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)是西部超導(dao)公(gong)司與國內高校、科研(yan)院(yuan)所合(he)(he)(he)作(zuo)開發的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)種新(xin)型近β鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)，其名(ming)義成分為Ti?5Al?5Mo?5V?6Cr?1Nb?0.5Fe，經熱(re)處(chu)理后該合(he)(he)(he)金(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)斷裂(lie)韌(ren)性(xing)(xing)與傳統高強度合(he)(he)(he)金(jin)(jin)保持(chi)同一(yi)水平，但靜強度更高，同時具有良(liang)好的(de)(de)(de)(de)(de)淬透性(xing)(xing)[3]。該材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)特點是高強度（1300MPa）、高黏性(xing)(xing)和(he)高韌(ren)性(xing)(xing)，比常用的(de)(de)(de)(de)(de)TC4、TC18、TC21材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)可加工(gong)(gong)性(xing)(xing)更差。由于目前國內外缺少對該材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)加工(gong)(gong)刀(dao)具和(he)切(qie)削(xue)技術的(de)(de)(de)(de)(de)針(zhen)對性(xing)(xing)研(yan)究，市場上暫無(wu)合(he)(he)(he)適的(de)(de)(de)(de)(de)加工(gong)(gong)TB18鈦(tai)(tai)合(he)(he)(he)金(jin)(jin)高效切(qie)削(xue)刀(dao)具，嚴重制約TB18材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)加工(gong)(gong)效率。

本文(wen)從(cong)TB18鈦合(he)金(jin)的(de)(de)銑(xian)削和鉆(zhan)削兩類典型(xing)刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)出發，開展刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)結(jie)(jie)構(gou)選(xuan)型(xing)和切削參數試驗研究，改進刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)結(jie)(jie)構(gou)，制定(ding)粗、精加工最(zui)優刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)選(xuan)用(yong)方案，并(bing)進行試驗驗證，達到提升TB18鈦合(he)金(jin)加工效率(lv)、提高刀(dao)(dao)(dao)具(ju)(ju)使(shi)用(yong)壽命的(de)(de)目標(biao)。該研究為TB18新型(xing)鈦合(he)金(jin)材料(liao)的(de)(de)切削加工提供了一定(ding)的(de)(de)參考。

2、TB18材料切削加工問題分析

由于(yu)新型超高強度鈦(tai)合金材(cai)料(liao)TB18的化學成(cheng)分中(zhong)金屬元(yuan)素Mo，Cr，V以及稀有元(yuan)素Nb的存在(zai)，使(shi)TB18鈦(tai)合金材(cai)料(liao)相對于(yu)常用(yong)TC4，TC18，TC21鈦(tai)合金的可(ke)加(jia)工性能極差，尤(you)其(qi)在(zai)熱處(chu)(chu)理(li)后(hou)(hou)材(cai)料(liao)抗拉強度達到σｂ＝1315MPa時。對TB18鈦(tai)合金材(cai)料(liao)（熱處(chu)(chu)理(li)后(hou)(hou)）的切(qie)削性能開展研(yan)究，根據粗、精加(jia)工選(xuan)取不同類(lei)型的通(tong)用(yong)鈦(tai)合金刀(dao)具(ju)進(jin)行試驗，刀(dao)具(ju)的切(qie)削參數及刀(dao)具(ju)使(shi)用(yong)壽命見表1。

與(yu)常用的(de)TC4、TC18、TC21材料(liao)切削(xue)(xue)過程(cheng)對比(bi)，銑削(xue)(xue)、鉆削(xue)(xue)TB18材料(liao)時主要面臨的(de)問題有：

①銑削(xue)加工(gong)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)（可轉位(wei)刀(dao)(dao)片(pian)式(shi)快進(jin)給、整硬合金銑刀(dao)(dao)等通用(yong)機械(xie)加工(gong)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)）磨損快，易崩(beng)裂，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)壽命極低。同(tong)等切削(xue)條件下與(yu)加工(gong)常用(yong)鈦合金的(de)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)壽命相比(bi)，粗加工(gong)快進(jin)給銑刀(dao)(dao)片(pian)壽命縮短了50％～80％，精(jing)加工(gong)整硬合金銑刀(dao)(dao)壽命縮短67％～83％。經分(fen)析(xi)，刀(dao)(dao)具(ju)(ju)失(shi)效方式(shi)為月牙洼、積屑瘤導致的(de)快速燒蝕和(he)崩(beng)刃（見圖1）。

圖 １　TB18銑(xian)削加工的幾種失效形式

②鉆削加工(gong)(gong)時(shi)材料難(nan)以斷屑(xie)（見圖2），刀具刃(ren)口切屑(xie)黏(nian)結且容易崩刃(ren)，U鉆（φ20mm）加工(gong)(gong)孔深90mm的內孔需(xu)要更換(huan)三次刀片(pian)(pian)才能(neng)完成，刀片(pian)(pian)壽命短，使用過程需(xu)頻繁更換(huan)，加工(gong)(gong)效率極(ji)低。

圖(tu) ２　TB18鉆削(xue)不斷(duan)屑

③銑削加(jia)工(gong)(gong)效率更低(di)。粗加(jia)工(gong)(gong)快進(jin)給(gei)銑刀(dao)(dao)切削線(xian)速(su)度(du)(du)為(wei)20～30m/min，為(wei)常(chang)用(yong)鈦(tai)合金(jin)加(jia)工(gong)(gong)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)的30％，進(jin)給(gei)速(su)度(du)(du)150～400mm/min，為(wei)常(chang)用(yong)鈦(tai)合金(jin)加(jia)工(gong)(gong)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)的25％～30％，加(jia)工(gong)(gong)效率大幅(fu)降低(di)，精加(jia)工(gong)(gong)整(zheng)硬(ying)合金(jin)銑刀(dao)(dao)的加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝參數也遠低(di)于(yu)常(chang)規鈦(tai)合金(jin)刀(dao)(dao)具(ju)(ju)。

通過(guo)試驗(yan)發現，導致加(jia)(jia)工TB18材(cai)料的(de)(de)(de)各類刀(dao)具(ju)(ju)失效(xiao)的(de)(de)(de)主要(yao)形式為刀(dao)具(ju)(ju)快(kuai)速磨損和(he)燒(shao)蝕。經初步分(fen)析，與通用鈦合金相比，TB18材(cai)料具(ju)(ju)有更高的(de)(de)(de)黏(nian)性，極(ji)易產(chan)生(sheng)切削(xue)熱，且由于加(jia)(jia)工過(guo)程(cheng)未得到充分(fen)冷卻，加(jia)(jia)劇了刀(dao)具(ju)(ju)的(de)(de)(de)黏(nian)結(jie)和(he)燒(shao)蝕，造(zao)成刀(dao)具(ju)(ju)失效(xiao)。

3、試驗研究

3.1　試驗方案

為了提高TB18材料(liao)的加(jia)工(gong)(gong)(gong)效率與刀具(ju)(ju)壽(shou)命，針對不同的加(jia)工(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)況開展(zhan)刀具(ju)(ju)選型試(shi)驗，以提高加(jia)工(gong)(gong)(gong)效率和刀具(ju)(ju)壽(shou)命為目標，優化(hua)刀具(ju)(ju)結(jie)構，并(bing)通過試(shi)驗確定加(jia)工(gong)(gong)(gong)工(gong)(gong)(gong)藝參(can)數。

3.1.1　銑(xian)削工序(xu)粗加(jia)工

在使用大(da)直徑(jing)φ80mm、主偏(pian)角(jiao)12°的快(kuai)進(jin)給銑刀(dao)(dao)進(jin)行粗加(jia)工(gong)時，做出(chu)以下改進(jin)：①為(wei)(wei)(wei)提高刀(dao)(dao)片壽命，降(jiang)低切削刃(ren)與工(gong)件的接觸面積，將原有快(kuai)進(jin)給刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)7°的主偏(pian)角(jiao)增加(jia)為(wei)(wei)(wei)9°；②為(wei)(wei)(wei)解決材料(liao)(liao)高黏、刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)易燒蝕問題，優選牌(pai)號2000Ti新型切削液，減小銑削過程(cheng)中(zhong)的切削熱；③為(wei)(wei)(wei)避免切削抗力(li)大(da)造成(cheng)毛料(liao)(liao)振動過高、刀(dao)(dao)片崩(beng)碎情(qing)況的發生，調整刀(dao)(dao)具(ju)(ju)(ju)軸(zhou)向(xiang)前角(jiao)為(wei)(wei)(wei)11°，徑(jing)向(xiang)前角(jiao)為(wei)(wei)(wei)6.5°，保證切削過程(cheng)穩定。

3.1.2　銑削工序精加工

以原(yuan)先(xian)試驗使(shi)用的φ25mm硬質合(he)金立銑刀(dao)為例，由(you)于(yu)TB18鈦合(he)金的高強、高黏特性，試驗過程中(zhong)極易產(chan)生(sheng)刀(dao)具振動(dong)以及大(da)量切削熱，為避免刀(dao)具失效，提高精加工效率，本(ben)文(wen)對傳統刀(dao)具進(jin)行結(jie)構改進(jin)，設計了密齒前波(bo)刃整體硬質合(he)金銑刀(dao)（見圖3）。

圖 ３　波刃(ren)刀(dao)具(ju)設(she)計

具體(ti)改進(jin)為(wei)：①通過公式F＝fz×N×Z可以(yi)看出，在進(jin)給速度不變(bian)的(de)情況下，增加(jia)齒數可以(yi)減小每齒進(jin)給量，延(yan)長刀(dao)具壽命，因此將齒數從4齒更(geng)改為(wei)6齒；②為(wei)了增強斷屑能力(li)，將前刀(dao)面變(bian)為(wei)前波(bo)刃刀(dao)具結構；③選擇Ｃｏ含量為(wei)10％的(de)整(zheng)體(ti)硬質合(he)金(jin)材料，以(yi)平衡(heng)刀(dao)具的(de)韌性(xing)和耐磨性(xing)；④選用AlTiＮ基多層涂層增加(jia)刀(dao)具的(de)耐磨性(xing)；⑤設計(ji)多孔內冷(leng)結構，加(jia)強冷(leng)卻效果，減小切削熱。

3.1.3　鉆削加工

由于TB18鉆(zhan)(zhan)孔時(shi)高黏(nian)、高強鈦屑不易(yi)排(pai)出，冷卻(que)無法及時(shi)到達切(qie)削(xue)(xue)部位，刀尖(jian)易(yi)燒傷崩(beng)齒，甚(shen)至刀體斷裂(lie)。根據上述加(jia)工(gong)特點(dian)，以直(zhi)徑20mm為區分，擬進(jin)行如下技(ji)術選型和(he)設(she)(she)計(ji)優化。對于Ｄ≤20mm的(de)孔加(jia)工(gong)：①采用整(zheng)體硬(ying)質(zhi)合金(jin)鉆(zhan)(zhan)頭（見(jian)圖4），鉆(zhan)(zhan)頭采用雙刃帶(dai)設(she)(she)計(ji)，提高刀具(ju)的(de)穩定性(xing)；②刀體排(pai)屑槽(cao)螺旋角采用12°結構設(she)(she)計(ji)且齒槽(cao)拋(pao)光處理，減(jian)少鈦屑與刀體接觸面，降低摩擦(ca)，減(jian)小切(qie)削(xue)(xue)熱；③加(jia)大(da)倒錐度為0.25/100，減(jian)小鉆(zhan)(zhan)頭與孔壁的(de)摩擦(ca)；④加(jia)大(da)內冷孔，提高冷卻(que)效果和(he)排(pai)屑能力；⑤優選AlCrZr基涂層增加(jia)刀具(ju)的(de)耐磨性(xing)。

圖 ４　整體(ti)硬質合(he)金(jin)鉆頭設計

對于Ｄ＞20mm的孔(kong)加(jia)(jia)工：①采(cai)用(yong)(yong)(yong)可轉位(wei)U鉆，刀(dao)片(pian)(pian)采(cai)用(yong)(yong)(yong)復合涂層，增加(jia)(jia)刀(dao)片(pian)(pian)耐磨性(xing)(xing)；②配(pei)備12ｂａｒ以上冷卻(que)液壓力，提高(gao)切(qie)削冷卻(que)效果；③孔(kong)加(jia)(jia)工方(fang)式選(xuan)用(yong)(yong)(yong)切(qie)削量(liang)逐(zhu)(zhu)層遞減的切(qie)削方(fang)式，前1/3孔(kong)深處加(jia)(jia)大每齒(chi)進給量(liang)，提高(gao)加(jia)(jia)工效率，后2/3采(cai)用(yong)(yong)(yong)逐(zhu)(zhu)層遞減，提高(gao)耐磨性(xing)(xing)；④周邊刀(dao)片(pian)(pian)和中心刀(dao)片(pian)(pian)采(cai)用(yong)(yong)(yong)不同材質(zhi)，所用(yong)(yong)(yong)中心刀(dao)片(pian)(pian)能夠實現逐(zhu)(zhu)步進刀(dao)方(fang)式，達到切(qie)削力均勻(yun)分布；周邊刀(dao)片(pian)(pian)采(cai)用(yong)(yong)(yong)Ｗｉｐｅｒ技術(shu)，以提高(gao)孔(kong)壁質(zhi)量(liang)（見圖(tu)5）。

圖 ５　Ｕ 鉆加工

3.2　試驗結果

采(cai)用快進(jin)(jin)給銑刀在5Ａ3Ｐ重(zhong)型切削(xue)(xue)機床上(shang)進(jin)(jin)行(xing)銑削(xue)(xue)試驗，優(you)(you)化(hua)(hua)(hua)后(hou)的(de)刀具(ju)可適應更大的(de)每齒進(jin)(jin)給量(liang)，對切削(xue)(xue)加工參數進(jin)(jin)行(xing)優(you)(you)化(hua)(hua)(hua)后(hou)，切削(xue)(xue)效率和(he)刀具(ju)壽命均有所提升(sheng)（見表(biao)2）。優(you)(you)化(hua)(hua)(hua)后(hou)刀具(ju)的(de)切削(xue)(xue)線速度(du)可達40m/min，刀具(ju)的(de)斷屑效果、切削(xue)(xue)力(li)和(he)振動等均得(de)到明(ming)顯(xian)改善（見表(biao)3）。

優(you)(you)化后(hou)的硬質合金鉆(zhan)頭壽(shou)命(ming)由原來的15min提(ti)升到60min，孔壁比原先(xian)更光滑(hua)（見表4）。優(you)(you)化后(hou)的U鉆(zhan)壽(shou)命(ming)從20min/把提(ti)升至50min/把，是原先(xian)的

2.5倍，孔壁更光滑(hua)（見(jian)表5）。

3.3　對比分析

通過(guo)試(shi)驗前后(hou)數據對比，優化后(hou)的TB18鈦合(he)金刀具加工(gong)效(xiao)率及壽命均有所提升。

效率提(ti)(ti)升：TB18鈦合金粗銑(xian)快進給銑(xian)刀(dao)的(de)金屬(shu)去除率從32.6ｃm3/min提(ti)(ti)升至(zhi)50.4ｃm3/min，提(ti)(ti)升至(zhi)原(yuan)來的(de)1.5倍；精銑(xian)硬(ying)質合金立(li)銑(xian)刀(dao)切削(xue)線速(su)度從26.3m/min提(ti)(ti)升至(zhi)40.035m/min，提(ti)(ti)升至(zhi)原(yuan)來的(de)1.5倍。

壽(shou)命(ming)提(ti)升(sheng)(sheng)(sheng)：用于TB18材料粗銑(xian)的(de)快進(jin)給(gei)銑(xian)刀刀具壽(shou)命(ming)從(cong)60min/把(ba)(ba)提(ti)升(sheng)(sheng)(sheng)了(le)(le)(le)90min/把(ba)(ba)，提(ti)升(sheng)(sheng)(sheng)了(le)(le)(le)1.5倍；硬質合金(jin)銑(xian)刀的(de)刀具壽(shou)命(ming)從(cong)30min/把(ba)(ba)提(ti)升(sheng)(sheng)(sheng)了(le)(le)(le)83min/把(ba)(ba)，提(ti)升(sheng)(sheng)(sheng)了(le)(le)(le)2.8倍；硬質合金(jin)鉆頭壽(shou)命(ming)從(cong)15min提(ti)升(sheng)(sheng)(sheng)至60min，提(ti)升(sheng)(sheng)(sheng)了(le)(le)(le)4倍；U鉆壽(shou)命(ming)從(cong)20min/把(ba)(ba)提(ti)升(sheng)(sheng)(sheng)了(le)(le)(le)50min/把(ba)(ba)，提(ti)升(sheng)(sheng)(sheng)了(le)(le)(le)2.5倍。

4、結語

通過刀(dao)具(ju)(ju)切削對比試驗(yan)對新型鈦合(he)金TB18的切削性能進(jin)行研(yan)究(jiu)，分析刀(dao)具(ju)(ju)的主要失(shi)效形(xing)式，優化改進(jin)刀(dao)具(ju)(ju)結(jie)構并合(he)理選取切削參數，得出以下主要結(jie)論。

（1）與通用鈦(tai)合金的切(qie)削加工相比(bi)，TB18材(cai)料具有更高的黏性(xing)，極易產生切(qie)削熱(re)，刀具失效的主(zhu)要形式為刀具快(kuai)速磨損和(he)燒蝕。

（2）對典型鉆削、銑削刀(dao)(dao)具(ju)進(jin)行優化改進(jin)，經試驗驗證(zheng)，改進(jin)后的刀(dao)(dao)具(ju)可有效(xiao)降(jiang)低(di)切(qie)削過(guo)程中摩(mo)擦熱(re)的產生，刀(dao)(dao)具(ju)壽命(ming)提升明(ming)顯(xian)。

（3）為提(ti)高生產效(xiao)率(lv)、降低加(jia)工成(cheng)本(ben)，本(ben)文(wen)對切(qie)削(xue)(xue)參(can)數(shu)進行(xing)優(you)(you)化。試驗(yan)(yan)結(jie)果表明，優(you)(you)化后的切(qie)削(xue)(xue)參(can)數(shu)可(ke)以使(shi)加(jia)工效(xiao)率(lv)得到有效(xiao)提(ti)升，驗(yan)(yan)證了切(qie)削(xue)(xue)參(can)數(shu)優(you)(you)化方(fang)案(an)的可(ke)行(xing)性(xing)，為今后TB18材(cai)料的加(jia)工提(ti)供一定的參(can)考。