1、引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能和低溫性能好及熱強(qiáng)度高等優(yōu)點，是航空航天工業(yè)中廣泛使用的材料[1]。國內(nèi)航空、航天及軍工等行業(yè)已經(jīng)開展了對鈦合金材料高速銑削的研究和應(yīng)用，加工零件以結(jié)構(gòu)件為主，主要解決加工效率和刀具耐用度的問題[2]。

TB18鈦合金是西部超導(dǎo)公司與國內(nèi)高校、科研院所合作開發(fā)的一種新型近β鈦合金，其名義成分為Ti?5Al?5Mo?5V?6Cr?1Nb?0.5Fe，經(jīng)熱處理后該合金的斷裂韌性與傳統(tǒng)高強(qiáng)度合金保持同一水平，但靜強(qiáng)度更高，同時具有良好的淬透性[3]。該材料的特點是高強(qiáng)度（1300MPa）、高黏性和高韌性，比常用的TC4、TC18、TC21材料的可加工性更差。由于目前國內(nèi)外缺少對該材料的加工刀具和切削技術(shù)的針對性研究，市場上暫無合適的加工TB18鈦合金高效切削刀具，嚴(yán)重制約TB18材料的加工效率。

本文從TB18鈦合金的銑削和鉆削兩類典型刀具出發(fā)，開展刀具的結(jié)構(gòu)選型和切削參數(shù)試驗研究，改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)，制定粗、精加工最優(yōu)刀具選用方案，并進(jìn)行試驗驗證，達(dá)到提升TB18鈦合金加工效率、提高刀具使用壽命的目標(biāo)。該研究為TB18新型鈦合金材料的切削加工提供了一定的參考。

2、TB18材料切削加工問題分析

由于新型超高強(qiáng)度鈦合金材料TB18的化學(xué)成分中金屬元素Mo，Cr，V以及稀有元素Nb的存在，使TB18鈦合金材料相對于常用TC4，TC18，TC21鈦合金的可加工性能極差，尤其在熱處理后材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到σｂ＝1315MPa時。對TB18鈦合金材料（熱處理后）的切削性能開展研究，根據(jù)粗、精加工選取不同類型的通用鈦合金刀具進(jìn)行試驗，刀具的切削參數(shù)及刀具使用壽命見表1。

與常用的TC4、TC18、TC21材料切削過程對比，銑削、鉆削TB18材料時主要面臨的問題有：

①銑削加工刀具（可轉(zhuǎn)位刀片式快進(jìn)給、整硬合金銑刀等通用機(jī)械加工刀具）磨損快，易崩裂，刀具壽命極低。同等切削條件下與加工常用鈦合金的刀具壽命相比，粗加工快進(jìn)給銑刀片壽命縮短了50％～80％，精加工整硬合金銑刀壽命縮短67％～83％。經(jīng)分析，刀具失效方式為月牙洼、積屑瘤導(dǎo)致的快速燒蝕和崩刃（見圖1）。

圖 １　TB18銑削加工的幾種失效形式

②鉆削加工時材料難以斷屑（見圖2），刀具刃口切屑黏結(jié)且容易崩刃，U鉆（φ20mm）加工孔深90mm的內(nèi)孔需要更換三次刀片才能完成，刀片壽命短，使用過程需頻繁更換，加工效率極低。

圖 ２　TB18鉆削不斷屑

③銑削加工效率更低。粗加工快進(jìn)給銑刀切削線速度為20～30m/min，為常用鈦合金加工刀具的30％，進(jìn)給速度150～400mm/min，為常用鈦合金加工刀具的25％～30％，加工效率大幅降低，精加工整硬合金銑刀的加工工藝參數(shù)也遠(yuǎn)低于常規(guī)鈦合金刀具。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致加工TB18材料的各類刀具失效的主要形式為刀具快速磨損和燒蝕。經(jīng)初步分析，與通用鈦合金相比，TB18材料具有更高的黏性，極易產(chǎn)生切削熱，且由于加工過程未得到充分冷卻，加劇了刀具的黏結(jié)和燒蝕，造成刀具失效。

3、試驗研究

3.1　試驗方案

為了提高TB18材料的加工效率與刀具壽命，針對不同的加工工況開展刀具選型試驗，以提高加工效率和刀具壽命為目標(biāo)，優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，并通過試驗確定加工工藝參數(shù)。

3.1.1　銑削工序粗加工

在使用大直徑φ80mm、主偏角12°的快進(jìn)給銑刀進(jìn)行粗加工時，做出以下改進(jìn)：①為提高刀片壽命，降低切削刃與工件的接觸面積，將原有快進(jìn)給刀具7°的主偏角增加為9°；②為解決材料高黏、刀具易燒蝕問題，優(yōu)選牌號2000Ti新型切削液，減小銑削過程中的切削熱；③為避免切削抗力大造成毛料振動過高、刀片崩碎情況的發(fā)生，調(diào)整刀具軸向前角為11°，徑向前角為6.5°，保證切削過程穩(wěn)定。

3.1.2　銑削工序精加工

以原先試驗使用的φ25mm硬質(zhì)合金立銑刀為例，由于TB18鈦合金的高強(qiáng)、高黏特性，試驗過程中極易產(chǎn)生刀具振動以及大量切削熱，為避免刀具失效，提高精加工效率，本文對傳統(tǒng)刀具進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計了密齒前波刃整體硬質(zhì)合金銑刀（見圖3）。

圖 ３　波刃刀具設(shè)計

具體改進(jìn)為：①通過公式F＝fz×N×Z可以看出，在進(jìn)給速度不變的情況下，增加齒數(shù)可以減小每齒進(jìn)給量，延長刀具壽命，因此將齒數(shù)從4齒更改為6齒；②為了增強(qiáng)斷屑能力，將前刀面變?yōu)榍安ㄈ械毒呓Y(jié)構(gòu)；③選擇Ｃｏ含量為10％的整體硬質(zhì)合金材料，以平衡刀具的韌性和耐磨性；④選用AlTiＮ基多層涂層增加刀具的耐磨性；⑤設(shè)計多孔內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)冷卻效果，減小切削熱。

3.1.3　鉆削加工

由于TB18鉆孔時高黏、高強(qiáng)鈦屑不易排出，冷卻無法及時到達(dá)切削部位，刀尖易燒傷崩齒，甚至刀體斷裂。根據(jù)上述加工特點，以直徑20mm為區(qū)分，擬進(jìn)行如下技術(shù)選型和設(shè)計優(yōu)化。對于Ｄ≤20mm的孔加工：①采用整體硬質(zhì)合金鉆頭（見圖4），鉆頭采用雙刃帶設(shè)計，提高刀具的穩(wěn)定性；②刀體排屑槽螺旋角采用12°結(jié)構(gòu)設(shè)計且齒槽拋光處理，減少鈦屑與刀體接觸面，降低摩擦，減小切削熱；③加大倒錐度為0.25/100，減小鉆頭與孔壁的摩擦；④加大內(nèi)冷孔，提高冷卻效果和排屑能力；⑤優(yōu)選AlCrZr基涂層增加刀具的耐磨性。

圖 ４　整體硬質(zhì)合金鉆頭設(shè)計

對于Ｄ＞20mm的孔加工：①采用可轉(zhuǎn)位U鉆，刀片采用復(fù)合涂層，增加刀片耐磨性；②配備12ｂａｒ以上冷卻液壓力，提高切削冷卻效果；③孔加工方式選用切削量逐層遞減的切削方式，前1/3孔深處加大每齒進(jìn)給量，提高加工效率，后2/3采用逐層遞減，提高耐磨性；④周邊刀片和中心刀片采用不同材質(zhì)，所用中心刀片能夠?qū)崿F(xiàn)逐步進(jìn)刀方式，達(dá)到切削力均勻分布；周邊刀片采用Ｗｉｐｅｒ技術(shù)，以提高孔壁質(zhì)量（見圖5）。

圖 ５　Ｕ 鉆加工

3.2　試驗結(jié)果

采用快進(jìn)給銑刀在5Ａ3Ｐ重型切削機(jī)床上進(jìn)行銑削試驗，優(yōu)化后的刀具可適應(yīng)更大的每齒進(jìn)給量，對切削加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，切削效率和刀具壽命均有所提升（見表2）。優(yōu)化后刀具的切削線速度可達(dá)40m/min，刀具的斷屑效果、切削力和振動等均得到明顯改善（見表3）。

優(yōu)化后的硬質(zhì)合金鉆頭壽命由原來的15min提升到60min，孔壁比原先更光滑（見表4）。優(yōu)化后的U鉆壽命從20min/把提升至50min/把，是原先的

2.5倍，孔壁更光滑（見表5）。

3.3　對比分析

通過試驗前后數(shù)據(jù)對比，優(yōu)化后的TB18鈦合金刀具加工效率及壽命均有所提升。

效率提升：TB18鈦合金粗銑快進(jìn)給銑刀的金屬去除率從32.6ｃm3/min提升至50.4ｃm3/min，提升至原來的1.5倍；精銑硬質(zhì)合金立銑刀切削線速度從26.3m/min提升至40.035m/min，提升至原來的1.5倍。

壽命提升：用于TB18材料粗銑的快進(jìn)給銑刀刀具壽命從60min/把提升了90min/把，提升了1.5倍；硬質(zhì)合金銑刀的刀具壽命從30min/把提升了83min/把，提升了2.8倍；硬質(zhì)合金鉆頭壽命從15min提升至60min，提升了4倍；U鉆壽命從20min/把提升了50min/把，提升了2.5倍。

4、結(jié)語

通過刀具切削對比試驗對新型鈦合金TB18的切削性能進(jìn)行研究，分析刀具的主要失效形式，優(yōu)化改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)并合理選取切削參數(shù)，得出以下主要結(jié)論。

（1）與通用鈦合金的切削加工相比，TB18材料具有更高的黏性，極易產(chǎn)生切削熱，刀具失效的主要形式為刀具快速磨損和燒蝕。

（2）對典型鉆削、銑削刀具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)試驗驗證，改進(jìn)后的刀具可有效降低切削過程中摩擦熱的產(chǎn)生，刀具壽命提升明顯。

（3）為提高生產(chǎn)效率、降低加工成本，本文對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的切削參數(shù)可以使加工效率得到有效提升，驗證了切削參數(shù)優(yōu)化方案的可行性，為今后TB18材料的加工提供一定的參考。