在航空工業(yè)中季糜，大型框斯荒、梁和壁板類鈦合金零件得到廣泛應(yīng)用，這些零件的余量通常是采用銑削加工方式來去除恰除。目前國內(nèi)航空企業(yè)常用硬質(zhì)合金刀具來銑削加工鈦合金挨狡，而當(dāng)切削速度升高以后會導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具的磨損加劇，為了保證刀具的耐用度诵藐，鈦合金零件的銑削加工往往是在較低切速(粗加工30m/min迫赞，精加工100m/min)下進行的，加工效率低(材料去除率3~13cm3/min)册血。因此扑轮，在鈦合金零件的制造過程中切削加工性很差，具體表現(xiàn)為：(1)加工效率低吠昭；(2)刀具磨損嚴重喊括；(3)加工精度和表面質(zhì)量不穩(wěn)定。因此矢棚，尋求一種高效率郑什、低成本的加工方法已成為目前關(guān)注的研究熱點。

　　超硬刀具高速切削鈦合金的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　超硬刀具材料具有高熱導(dǎo)率蒲肋、高硬度蘑拯、高耐磨性等優(yōu)點，合理利用超硬材料刀具會顯著改善鈦合金材料的切削加工性兜粘，在生產(chǎn)中有著廣闊的應(yīng)用前景申窘。目前，在我國超硬刀具材料主要用于汽車和木材加工領(lǐng)域孔轴，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較少剃法。近年來國外已開展超硬刀具高速切削鈦合金的研究，國內(nèi)相關(guān)研究報道甚少距糖。

　　1998年玄窝，意大利學(xué)者E.Kuljanic利用φ32mm的PCD機夾刀具銑削TC4鈦合金材料，研究了鈦合金切屑形態(tài)慢杜、刀具耐用度以及表面質(zhì)量讼崔。文獻指出：(1)切屑形狀為典型的層狀切屑凌宫；(2)沒有發(fā)現(xiàn)月牙洼或后刀面磨損；(3)在以上切削用量下死辫，切削108min時麻坯，刀具基本上沒有磨損的痕跡，刀具耐用度T為381min檬舀。如此長時間的刀具耐用度是因為在PCD刀具的表面形成TiC薄膜毙帚，防止了刀具的磨損；(4)表面粗糙度與有無冷卻液沒有太大關(guān)系腹痹，表面粗糙度最小值Ra=0.9μm熔布，最大值Ra=3.8μm，平均值Ra=1.4μm下伙。當(dāng)?shù)毒吣p后默徘，隨著自激振動的出現(xiàn)，表面粗糙度值變大吗浩。

　　2000年建芙，印度學(xué)者Z.A.Zoya評價了PCBN刀具高速車削α+β型鈦合金(含Al4.5％，Mn4.5％)時的刀具切削性能懂扼。研究表明：(1)切削溫度在700℃左右為一個臨界值禁荸，高于700℃時刀具耐用度明顯下降；(2)在切削速度v=220m/min時阀湿，PCBN刀具能發(fā)揮比較穩(wěn)定的切削性能赶熟，而在v=185m/min時，加工表面的表面質(zhì)量最好炕倘，因此推薦PCBN車削鈦合金的切削速度為185~220m/min钧大。

　　2001年，英國學(xué)者FarhadNabhani進行了PCBN罩旋、PCD和涂層硬質(zhì)合金刀具加工TA48(質(zhì)量分數(shù)%)：Al：5；Mo：4眶诈；Sn：2~2.5涨醋；Si：6~7；Fe：2max逝撬；H：0.015浴骂；O：0.25；N：0.05愚矗；Ti：其余能航。鈦合金的常規(guī)車削試驗對刀具磨損進行了研究，當(dāng)v=75m/min椭药、f=0.25mm/r挚蟹、ap=1mm時峡徽，切削過程中不使用切削液。硬質(zhì)合金上的涂層沒有有效的保護作用木影，涂層很快就被磨損掉绣首。在硬質(zhì)合金和PCBN刀具上觀察到嚴重的擴散磨損，PCD刀具則沒有明顯的擴散磨損璃淤。PCBN刀具與硬質(zhì)合金刀具相比施旱，磨損率較低，表面質(zhì)量較高伙斯。PCD的磨損率最低乌迎，加工出的表面質(zhì)量最好，并指出PCD刀具是非常適合加工鈦合金的刀具材料笛坦。

　　2003年区转，法國Corduan等分別采用PCD、PCBN弯屈、TiB2涂層硬質(zhì)合金刀具高速車削鈦合金TC4蜗帜，采用掃描電鏡觀察刀具磨損形貌，探討了3種刀具的磨損機理资厉。在v=120m/min厅缺、f=0.1mm/r、ap=1mm條件下宴偿，PCBN刀片的前后刀面均出現(xiàn)溝槽且有黏結(jié)層湘捎。在v=250m/min、f=0.15mm/r窄刘、ap=0.94mm條件下窥妇，PCD前刀面上有黏結(jié)層但沒有PCBN刀片嚴重。在v=100m/min娩践、f=0.15mm/r活翩、ap=0.9mm條件下，刀具表面無溝紋翻伺，但有后刀面磨損和月牙洼磨損矩袖。

　　磨損溝紋的產(chǎn)生機理：切削區(qū)的區(qū)域溫度高，壓力小第六，極其容易發(fā)生相變拖牢。PCD刀具中的金剛石易石墨化，PCBN刀具中CBN轉(zhuǎn)變?yōu)镠BN乙遵。這就使得刀具材料的力學(xué)性能大為下降浦忠，刀具出現(xiàn)溝紋。用拉曼譜定性分析刀具表面溝槽轮庵，證實溝紋中含石墨和HBN相韩记。

　　月牙洼磨損產(chǎn)生機理：TC4與刀片相互擴散硫联，刀具化學(xué)降解，黏結(jié)層產(chǎn)生库绩，隨后刀具中材料顆粒脫落重抑，黏結(jié)層逐漸消失。以此循環(huán)峡蓖，產(chǎn)生月牙洼磨損亿永。

　　2005年，新加坡學(xué)者A.RahmathZareena利用BCBN换怖、PCBN甩恼、PCD3種刀片對鈦合金TC4進行了高速銑削對比試驗，對刀具磨損進行了研究沉颂。指出普通PCBN刀具的主要磨損原因為擴散磨損条摸。高溫下PCD刀片會與鈦合金材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，刀具材料中的C元素和Co元素會擴散到切屑中铸屉，從而影響刀具耐用度钉蒲。BCBN中沒有易與鈦合金發(fā)生反應(yīng)的Co元素，切屑中沒有發(fā)現(xiàn)刀具材料中元素的擴散彻坛，使得BCBN刀具有更長的刀具耐用度顷啼。高壓冷卻液對刀屑接觸面起到潤滑和冷卻作用，防止了刀屑間的焊接和積屑瘤的產(chǎn)生昌屉，從而提高了刀具耐用度和表面質(zhì)量钙蒙。

　　2007年，馬來西亞A.K.MNurulAmin利用φ32mm的未涂層WC-Co和PCD機夾刀具進行了鈦合金切削對比試驗间驮，對刀具磨損和表面質(zhì)量進行了研究躬厌。研究表明：(1)同樣的磨損標(biāo)準(zhǔn)(VB＝0.3mm)下，PCD刀片的材料去除量比WC-Co刀片高试填。試驗表明其他切削用量不變的條件下坠狈，WC-Co在v=40m/min時的金屬去除量最高，PCD刀片在v=120m/min時的金屬去除量最高三麦，此時桂付，PCD刀片的金屬去除量是WC-Co刀片的2倍左右；(2)在給定的切削用量下云盲，硬質(zhì)合金刀片適用的切削速度在40m/min左右，PCD刀片適用的切削速度在120m/min左右杀乃，超過這個速度球逢，刀具劇烈磨損；(3)PCD刀片加工時的平均表面粗糙度低于硬質(zhì)合金刀具碳环，這是由于PCD刀具的磨損率比較低矮蘑、顫振較小废奖。PCD刀具切削速度達到160m/min，硬質(zhì)合金刀具的切削速度達到120m/min時置塘，表面質(zhì)量接近于拋光内地；(4)綜合考慮金屬去除量和表面質(zhì)量，推薦硬質(zhì)合金刀具的切削速度范圍為40~80m/min赋除，PCD刀具的切削速度范圍為120~160m/min阱缓。

　　2007年，Ezugwu等還采用PCD刀具對TC4進行了高速精車試驗举农，比較了高壓冷卻液與傳統(tǒng)冷卻液冷卻條件下的表面完整性荆针。指出高壓射流輔助切削加工表面粗糙度Ra均小于1.6μm，且得到的刀具耐用度更長颁糟。無論是傳統(tǒng)冷卻還是高壓射流冷卻航背，沒有物理損傷，如裂紋棱貌、撕裂玖媚、黏結(jié)等。精車后微觀組織沒有觀察到塑性變形婚脱。采用高壓射流輔助切削能明顯減小加工硬化效應(yīng)今魔。傳統(tǒng)冷卻方式，冷卻無規(guī)則起惕，加工硬化效應(yīng)顯著涡贱。這與E.Kuljanic的研究結(jié)果相一致。

　　2005年牌骚，英國學(xué)者E.O.Ezugwu利用不同CBN含量的PCBN刀具以及未涂層硬質(zhì)合金刀具車削Ti-Al6-V4翎女，重點研究了刀具磨損和刀具耐用度，切削過程中使用普通和高壓冷卻液缘荧。結(jié)果表明：(1)PCBN刀具的切削性能比硬質(zhì)合金刀具的切削性能還差酸飞，隨著CBN含量的增加，加劇了缺口磨損蒿榄，導(dǎo)致刀具的切削性能越來越差央封；(2)CBN含量較低的刀具對冷卻液更加敏感，隨著冷卻液的增加刀具耐用度得到提高夹昼；(3)CBN含量低的刀具和硬質(zhì)合金刀具刀尖磨損比較嚴重徐渗，而CBN含量較高的刀具邊界磨損和崩刃現(xiàn)象比較嚴重；(4)PCBN刀具對表面質(zhì)量沒有不利效益帘达。

　　2008年店麻，山東大學(xué)劉戰(zhàn)強等采用PCBN刀具對鈦合金TC4進行了高速車削試驗，對刀具的磨損機理進行了研究。在v=80m/min坐求、f=0.1mm/r蚕泽、ap=0.25mm時，刀具前刀面上存在白色層狀物桥嗤，能譜分析顯示刀具前刀面上還存在氧元素须妻，故刀具主要磨損機理為黏結(jié)磨損和氧化磨損，且PCBN刀具相對未涂層和涂層硬質(zhì)合金刀具壽命最高泛领。

　　以上對超硬刀具高速切削鈦合金的研究主要集中在切屑形成荒吏、刀具磨損和表面質(zhì)量等方面，重點研究了超硬刀具的耐用度和刀具磨損师逸，得出在鈦合金精加工時司倚，超硬刀具能在較高的切削速度下切削鈦合金材料。下文將重點闡述南京航空航天大學(xué)在超硬刀具高速銑削鈦合金方面關(guān)于刀具設(shè)計篓像、切削力动知、切削溫度、刀具磨損和加工表面完整性等的研究员辩。

　　超硬刀具在鈦合金高速切削中的應(yīng)用研究

　　1高速銑削鈦合金時超硬刀具的損傷與設(shè)計

　　刀具是高速切削加工中最活躍的因素之一盒粮，它直接影響著加工效率、制造成本和產(chǎn)品的加工精度企电。刀具在高速加工過程中要承受高溫嘶在、高壓、摩擦乃筐、沖擊和振動扎趋，因此其硬度和耐磨性、強度和韌性玄饶、耐熱性莲态、工藝性能和經(jīng)濟性等基本性能是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵因素。刀具的正確選擇要考慮刀具與工件的合理匹配李腐、切削加工方式和加工參數(shù)等因素的影響秤凡。

　　最初研究選用PCD機夾刀具γo=11°，αo=24°憎苦，在v=250m/min丘登、fz=0.05mm/z、ae=0.5mm叁震、ap=3mm竿漂、順銑、空氣油霧冷卻條件下窘问，刀具耐用度為39min扎唾，刀具失效形式以崩刃為主。刀具達到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時的圖片，可以看出胸遇，PCD刀具整個刀刃失效，這主要因PCD刀具前角和后角過大汉形，刀具強度不夠而導(dǎo)致的嚴重崩刃現(xiàn)象纸镊。

　　經(jīng)過改進刀具幾何參數(shù)，選用刀具γo=0°概疆，αo=8°逗威，PCD材料為CTB010，粒度10μm岔冀，基體為硬質(zhì)合金凯旭。在相同切削參數(shù)、順銑和空氣油霧冷卻條件下使套，PCD刀片切削30min后罐呼，刀具磨損形態(tài)，PCD刀片的切削刃沒有出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象确确。

　　2切削力和切削溫度

　　切削力和切削溫度試驗在MikronUCP710五坐標(biāo)高速加工中心上進行尺夺，采用Kistler9265B動態(tài)測力儀對銑削力進行測量，采用夾絲半人工熱電偶方法對銑削溫度進行測量面啄。試驗用刀具為改進的PCD機夾刀片舒叨，工件材料為鈦合金TA15(退火狀態(tài))，其名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V焊蕉。采用單因素試驗滔测，考察不同銑削速度下切削力和切削溫度的變化規(guī)律，其他切削參數(shù)同上谊弯。刀具磨損初期PCD刀具銑削TA15鈦合金時的動態(tài)銑削力罚迹。

　　當(dāng)v=200~600m/min時，PCD刀具的Fy和Fz均變化不大玻市，而Fx在v<300m/min時切削力隨著切削速度的提高有較明顯的升高柜涛，當(dāng)v>300m/min時，隨著切削速度的增加父独，切削力呈現(xiàn)下降趨勢格缘。這主要是因為：一方面，由于切削速度的增大酬屉，工件材料的應(yīng)變硬化程度增加半等，剪切區(qū)的變形抗力增大；另一方面呐萨，由于銑削時斷續(xù)切削過程杀饵，其產(chǎn)生的動態(tài)切削力和切削力沖擊會增大。這兩方面的綜合作用使得切削力呈增大趨勢。與此同時切距，隨著切削速度的增加朽缎，切削溫度會升高，從而對工件材料產(chǎn)生軟化作用谜悟，致使切削力下降话肖；另一方面，切削速度提高導(dǎo)致的切削溫度上升也會使被加工材料軟化葡幸，摩擦系數(shù)減小最筒，致使切削力減小。所以蔚叨，切削速度對切削力的影響是兩方面綜合作用的結(jié)果床蜘。在100~300m/min速度范圍內(nèi)，應(yīng)變和應(yīng)變率強化對切削力的影響大于熱軟化對切削力的作用议猛，因而切削力呈增大趨勢玛呐。對TA15的銑削溫度測量表明，當(dāng)v從300m/min增大到600m/min時妙裸，其相應(yīng)的銑削溫度大約從400℃增加到約550℃姨桩。此時其強度極限σb將下降到100MPa左右。所以睁去，隨著切削速度的增加戚促，超過300m/min時，銑削溫度的升高所致的鈦合金軟化呈主要趨勢殃宜，而應(yīng)變硬化和動態(tài)切削力的增加相對較弱睡誉，導(dǎo)致切削力減小。

　　半人工夾絲自然熱電偶法所測得的銑削溫度的原始信號圖挟撑。本文取熱電勢最大值對應(yīng)的溫度值作為切削溫度值伤很。在200~600m/min速度范圍內(nèi)，PCD刀具銑削溫度隨著切削速度的增加而增加嫩坷，如圖6所示肺樟。隨著切削速度的提高，切削所做的功增多逻淌，在單位時間內(nèi)切削產(chǎn)生的熱量增加么伯，從而使得切削溫度升高；另一方面卡儒，由于切削速度增大田柔，后刀面與已加工表面以及前刀面與切屑之間的摩擦熱增加，從而使得銑削溫度升高骨望。與此同時硬爆，切削速度的提高會使得切削層金屬來不及變形欣舵，變形程度降低，故銑削溫度并不隨切削速度的提高而成比例升高缀磕。

　　3刀具耐用度

　　利用改進后的刀具與硬質(zhì)合金刀具進行鈦合金高速對比銑削試驗缘圈，銑削參數(shù)為v=250m/min、350m/min虐骑、fz=0.08mm/z准验、ae=1mm、ap=3mm疆虑，其他試驗條件同上。

　　PCD刀具和硬質(zhì)合金刀具的磨損曲線徽橄。PCD刀具在v=250m/min時的T=60min澄月，v=350m/min時T=85min。這是因為切削速度達到350m/min后遂遂，切削溫度升高脂惊，刀具與工件之間的摩擦系數(shù)下降，切屑變形系數(shù)減小悟肉，使得切削力有下降的趨勢喝园；切削速度提高以后，PCD刀具的切削穩(wěn)定性提高乞挥，切削過程中的微崩刃現(xiàn)象明顯減少省瓜，導(dǎo)致刀具磨損減緩。硬質(zhì)合金刀具在v=250m/min時赤巢，T=40min彤笼；在v=350m/min時，T=5min仁热。同樣的切削條件下榜揖，PCD刀具的壽命要明顯高于硬質(zhì)合金刀具。這主要是因為與硬質(zhì)合金刀具相比抗蠢，PCD刀具具有極高的硬度和耐磨性举哟，在高速切削鈦合金時能夠減緩刀具的磨損；與硬質(zhì)合金相比迅矛，所有金剛石刀具材料均毫無例外地為熱的良導(dǎo)體妨猩。因此金剛石刀具材料在切削過程中能迅速地將熱量從刀具的尖端傳遞到刀體內(nèi)部，從而有效減少金剛石出現(xiàn)熱損傷的可能性和降低切削溫度诬乞。因此硬質(zhì)合金刀具切削溫度要高于PCD的切削溫度册赛，容易發(fā)生熱化學(xué)磨損，從而加劇硬質(zhì)合金刀具的磨損震嫉。

　　4加工表面完整性

　　PCD刀具高速銑削鈦合金時表面粗糙度隨切削速度的變化曲線森瘪，可以看出隨著切削速度的增加牡属，表面粗糙度呈先增大后減小的趨勢。這主要由于隨著切削速度的提高扼睬，切削振動減小逮栅，切削過程平穩(wěn)，切削溫度升高补搅，切削力減小安蔚，工件的塑性變形減小，因而表面粗糙度值減小舱闪。在刀具磨損不嚴重的情況下眼栽，試驗范圍內(nèi)PCD刀具高速銑削鈦合金TA15的表面粗糙度是比較低的，Ra不超過0.3μm阶务。

　　PCD刀具銑削鈦合金時贸渐，不同速度下的加工硬化情況。試驗中所用TA15鈦合金母材的硬度大約在HV330~360之間忧龙。由圖可以看出当盘，無論是低速還是高速下，所產(chǎn)生的加工硬化不明顯渣雁，銑削速度的提高驮肄，并不會對材料的加工硬化產(chǎn)生顯著影響。不同每齒進給量下加工硬化的變化趨勢與切削速度下的基本一致兑蹦，每齒進給量的變化不會對加工硬化產(chǎn)生顯著影響悬朱。刀具磨損后，表面層有輕微的加工硬化現(xiàn)象扇雕，隨著刀具磨損加劇拓售，加工硬化有增大趨勢。

　　刀具磨損初期镶奉，PCD銑削鈦合金時鈦合金的顯微組織础淤。由圖可以看出，鈦合金表層顯微組織未發(fā)現(xiàn)撕裂哨苛、相變鸽凶、以及晶粒沿進給方向上的扭曲等現(xiàn)象。圖11為VB=0.25mm時建峭，PCD銑削鈦合金時的鈦合金金相顯微組織玻侥，由圖可以看出隨著刀具磨損的加劇，鈦合金表層的金相組織變化比較明顯亿蒸，沿進給方向晶粒表現(xiàn)為扭曲狀態(tài)凑兰，刀具磨損越嚴重，晶粒的扭曲越明顯边锁，且晶粒的扭曲帶越寬姑食，當(dāng)?shù)毒哌_到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)以后波岛，晶粒的扭曲帶寬度大約為40μm。這主要是由于刀具磨損增加導(dǎo)致切削力增大道竖，切削熱增加锅吝，二者的共同作用使得工件表層的塑性變形加劇。

　　經(jīng)測試汰浊，加工后的試件表層呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力询晦，殘余應(yīng)力絕對值在300~800MPa之間。隨著切削速度的增加丐作，殘余應(yīng)力絕對值都呈先減小后增大的趨勢捉泣。這有利于提高零件的抗疲勞性能。

　　結(jié)束語

　　作為典型的難加工材料秒聪，鈦合金的加工技術(shù)能映一個國家的航空制造技術(shù)水平粥萍。目前國內(nèi)主要使用鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具中低速切削加工鈦合金；而國外簸隅，主要使用細晶粒高性能硬質(zhì)合金刀具切削加工鈦合金，且已經(jīng)開始使用高性能涂層刀具和超硬刀具進行高速高效切削鈦合金的研究與應(yīng)用易解。國內(nèi)要在超硬刀具高速切削鈦合金關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破撰钥，須通過進一步合理地選擇刀具材料及幾何參數(shù)，優(yōu)選切削用量腥椒，針對不同的加工對象制定相應(yīng)的加工工藝規(guī)范阿宅，最終高效率地加工出表面完整性優(yōu)異的航空零件。

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