1.引言
　　
　　 鈦及鈦合金不僅是制造飛機、導彈、火箭等航天器的重要結構材料，而且在機械工程、海洋工程、生物工程及化學工程中的應用也日益廣泛。如在閥門制造中，將不銹鋼閥門與鈦制閥門同時在酸性介質中使用，鈦制閥門具有更好的使用壽命。
　　 在鈦中加入合金元素形成鈦合金，其強度顯著提高,σb可從350～700MPa提高到1200MPa，因此在工業上應用鈦合金的意義更具重要性。通常按使用狀態下的組織將鈦合金分為α鈦合金（以TA表示）、β鈦合金和（α+β）鈦合金（以TC表示）三類，三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和(α+β)鈦合金。由于鈦合金可切削性極差，因此給實際應用帶來很多困難。筆者從鈦合金的相對可切削性研究出發，根據多年生產經驗提出較實用的刀具，供讀者應用時參考。
　　
　　 2.鈦合金可切削性的研究
　　
　　 若以45號鋼的可切削性為100%，則鈦合金的可切削性約為20～40%，其可切削性比不銹鋼差，但比高溫合金稍好。在鈦合金中又按β型鈦合金、α+β型鈦合金、α型鈦合金為序其可切削性逐步改善，而純鈦的可切削性最好。即在一般情況下，材料硬度愈高，加入合金元素越多，材料的可切削性越差。加工鈦合金時，若材料硬度小于HB 300將會出現強烈粘刀現象，而硬度大于HB370時加工又極其困難，因此最好使鈦合金材料的硬度在HB300～370之間。
　　
　　 2.1 鈦合金切削機理的研究
　　
　　 （1）氣體雜質的影響
　　
　　 各種氣體雜質對于鈦合金的可切削性有很大影響，其中最顯著的是氧、氫和氮；鈦合金的可切削性隨著氣體在鈦合金中的含量增加而惡化。
　　 鈦元素的化學活潑性高，具有很強的親和力，很容易與接觸的雜質化合，鈦在600℃以上能與大氣中的氧起作用，超過650℃時，隨溫度的提高而作用增強。在表面出現氧化皮的同時，氧還向鈦中擴散；在同素異構轉變溫度（882.5℃）以上，氧在鈦中擴散特別強烈，以至形成脆化層，且其脆化層厚度隨時間的增加而增大，即產生所謂“組織α化層”。這是鈦被氧玷污而引起的額外硬化，鈦中含氧量愈多，硬化愈甚。氫在鈦中隨溫度的增加而出現的氧化能力，其擴散極其強烈，并形成間隙固溶體，產生氫脆性。在室溫下氮對鈦沒有影響，高溫時氮與鈦強烈化合，形成硬而脆的氮化鈦（TiN）。
　　 可以看出，在鈦合金中，氣體雜質氧、氫、氮都可使鈦合金脆化，這些雜質還具有磨料性質，在加工鈦合金時能加速刀具的磨損；在鍛壓和沖壓后還可形成比原來材料硬度高得多的硬皮和氧化皮。所有這些，在很大程度上惡化了鈦及鈦合金的可切削性。
　　 （2）材料性能的影響
　　 從可切削性的觀點出發，鈦的各種物理——機械性能是很不利于切削的組合，因為每一種性能的存在都加重了另一種性能所引起的切削困難。
　　 鈦合金塑性小，因而極其顯著地影響其切削時的塑性變形。如果用切屑的收縮表示被切削層的變形，則鈦合金切屑的收縮系數等于1（甚至小于1），而普通碳鋼切屑的收縮系數ψ約等于3，鈦合金較小的ψ值使切屑經主切削刃切離后，立即向上翻卷，使切屑與刀具前刀面間僅有一極小的接觸面積（約為鋼材的1/3），從而使作用在車刀接觸面積上的壓力和局部溫度增高；由于鈦合金有很高的強度極限，故造成接觸面積上受到的壓力和局部溫度更高；再加上鈦合金的熱導率很低（僅為鐵的1/5、鋁的1/10，TC8熱導率λ=7.955W/mk），極大地限制了刀尖的冷卻條件；此外，高度活潑的金屬鈦還容易和刀具化合產生焊接和粘剝。由于上述性能的綜合，在同樣的切削用量下，加工鈦合金時刀具單位面積所承受的切削力要比加工一般鋼材時大得多，切削溫度也高得多，因此使刀具磨損很快，材料的可切削性惡化。
　　 （3）含碳量的影響
　　 鈦合金的可切削性與含碳量有關。當含碳量大于0.20%時，合金中會形成硬的碳化物，使可切削性下降；而含碳量小于0.20%時，可切削性得到改善。
　　 （4）加工硬化的影響
　　 加工硬化被認為是鈦合金加工困難的原因之一。為了確定它的影響程度，我們進行了試驗，結果表明在任何加工情況下，鈦的加工硬化程度都遠小于不銹鋼，也小于其它種類容易硬化的鋼。
　　 鈦合金嚴重的硬化是在切削加工中所產生的局部高溫使鈦很容易吸收大氣中的氧和氮形成又硬又脆的外皮而造成的。在正常切削條件下，其硬化深度為0.1～0.15mm，硬化程度為20%～30%。
　　
　　 2.2 鈦合金相對可切削性切削條件的研究
　　
　　 （1）刀具材料
　　 加工鈦合金時，不宜使用YT類硬質合金刀片。因為：①YT類硬質合金刀片中含有鈦，它會與被加工的鈦合金發生親和作用，粘掉刀尖。②車削鈦合金時，車刀與切屑的接觸遠比加工鋼時小得多，作用在車刀接觸面積上的單位切削刀較大，由于YT類硬質合金刀片較脆，因此容易崩刃。
　　 一般生產中采用YG類刀片加工鈦合金，盡管其耐磨性較差。通常在粗車和斷續車削時采用YG8刀片，精車和連續車削時用YG3刀片，一般加工則用YG6X刀片。
　　 實踐證明，含鉭的硬質合金YA6（屬于細顆粒鎢鈷類硬質合金）效果較好，由于加入了少量的稀有元素，提高了刀片耐磨性，代替了原有的YG6X，其抗彎強度、硬度也都比YG6X高。
　　 在低速切削或切削復雜型面時，可采用高釩高速鋼（W12Cr4V4Mo）和高鈷高速鋼（W2Mo9Cr4VCo8）刀具，它們是加工鈦合金最好的刀具材料，但因鈷資源少且價格昂貴，因此應盡可能少用，以保護稀有資源并降低成本。
　　 （2）刀具幾何角度
　　 切削鈦合金時，車刀后角α0是所有刀具參數中最敏感的，因為切削層下的金屬彈性恢復大和加工硬度大，一般采用大后角可使刃口易于切入金屬層，減小后刀面的磨損，但后角過小（小于15°）會出現金屬的粘附現象；而后角過大，刀具將被削弱，刀刃容易崩碎。因此，大多數切削鈦合金的車刀采用15°后角。從刀具耐用度來看，α0小于或大于15°，都會降低車刀的耐用度。此外，α0為15°的車刀刀刃比較鋒利，并可降低切削溫度。
　　 由于鈦合金在切削過程中，會與空氣中的氧、氫、氮等形成硬脆化合物，造成刀具磨損（主要發生在車刀前刀面上），因此應采用小值前角；此外，鈦合金的塑性低，切屑與前刀面的接觸面積小，為此也應選用小值前角，這樣做可增加切屑與前刀面的接觸面積，使切削熱和切削壓力不至于過分集中于刃口附近，既有利于散熱，又加強刃口，避免因切削力集中而產生崩刃。因此，用硬質合金刀具加工（α+β）鈦合金時，取前角γ0=5°左右并磨出倒棱f（寬度為0.05～0.1mm），γf=0°～10°，刀尖磨成r=0.5mm小值圓弧，刃傾角λ=+3°。
　　 但是研究工作表明，車刀前角在28°～30°范圍內時刀具的耐用度最好；刀尖圓弧半徑增大也可以減少刀具的崩落現象。
　　 一般車削鈦合金外圓車刀的幾何參數：倒棱f=0.3～0.7mm，γf=0°，γ0=8°～10°，α0=15°，r=0.5mm，λ=0°，κr=45°，κ′r=15°。
　　 （3）切削用量對切削溫度的影響
　　 用YG8刀片車削鈦合金TA2時，由切削參數的變化與切削溫度變化的關系可知，加工時切削溫度t隨著切削速度v的提高而急劇提高，加大走刀量f也使切削溫度t增高，但其影響比提高速度的影響小。切削深度的變化對切削速度的影響較小。
　　 加工時高的切削速度使切削刀具劇烈地磨損，并且使鈦合金具有從周圍大氣中吸收氧和氫的能力，產生所謂“組織的α化”，并使加工表面強化。
　　 通常在選用切削速度和走刀量時，保持切削溫度在800℃左右，即當走刀量f=0.11～0.35mm/r時，取切削速度v=40～60m/min。
　　 （4）切削用量對表面粗糙度的影響
　　 由于鈦合金對應力集中很敏感，在有刮傷或凹痕時會嚴重地降低它的疲勞強度，因此鈦合金零件表面質量的加工要求很高。
　　 走刀量對于表面質量影響很大。由加工鈦合金TC6時（速度v=40m/min，切削深度ap=1mm，后刀面磨損h后≤0.1mm）走刀量與已加工表面表面粗糙度的關系可知，為了要獲得表面粗糙度Ra1.6μm，必須選擇走刀量f=0.16mm/r；如果加工時分別采用走刀量f=0.25mm/r、0.35mm/r和0.45mm/r，則相應獲得的加工表面粗糙度為Ra3.2μm、Ra6.3μm和Ra12.5μm。
　　 切削鈦合金時，表面粗糙度與切削速度無關，切削深度的影響也很小，表面質量在同一表面粗糙度內變化。
　　 精加工鈦合金時，為了得到Ra1.6μm的表面粗糙度，應采用YG類硬質合金刀片，研磨車刀的工作表面，取車刀幾何參數為：γf=0°，γ0=10°，α0=15°，r=0.5mm；選擇切削用量為：v=50～70mm/min，f=0.1～0.2mm/r，ap=0.3～1.0mm；刀具后面磨損h后≤0.3mm。
　　 通過加大刀尖圓弧半徑r，減小走刀量f，降低刀具磨損h后0.15mm，連續車削鈦合金，可獲得Ra=1.25～0.8μm的表面粗糙度。
　　
　　 3.鈦合金的切削加工及刀具設計
　　
　　 3.1 車削加工
　　 鈦合金的彈性模數小，如TC4的彈性模量E=110GPa，約為鋼的一半，因而由切削力所引起的被加工件彈性變形大，將降低工件精度，為此要改善加工系統的剛性。工件必須很牢固地裝夾，刀具對工件支承點的刀矩減到最小。刀具必須鋒利，否則將發生振動、磨擦，使刀具耐用度縮短，工件精度下降。
　　 切削鈦合金時，僅在切削速度1～5mm/min的范圍內，才有積屑瘤形成。因此在一般生產條件下切削鈦合金時，不會產生積屑瘤。工件與刀具之間的磨擦系數并不很大，容易得到良好的表面質量。采用冷卻潤滑液對于改善鈦合金表面微觀幾何形狀是沒有效果的，切削鈦合金時已加工表面粗糙度較低是由于刀具上沒有積屑瘤的緣故。
　　 但是，為了改善切削條件，降低切削溫度，提高刀具壽命，同時為了消除火災的危險，加工時使用大量可溶性冷卻劑也是必要的。
　　 通常鈦合金零件加工時沒有發火燃燒的現象，可是在微切削狀態下加工時有發火燃燒現象，為了避免這種危險性，應該：①大量使用冷卻液；②及時從機床上掃除切屑；③備有滅火器材；④及時更換用鈍的刀具；⑤工件表面污染時易引起火花，此時必須降低切削速度；⑥比薄切屑相比，厚切屑不易產生火花，因此要加大走刀量，加大走刀量不會象加大切削速度那樣使溫度迅速升高。
　　 加工鈦合金切削用量的選用準則：應從降低切削溫度的觀點出發，采用較低的切削速度和較大的走刀量。由于高的切削溫度使鈦合金從大氣中吸收氧和氫造成工件表面硬脆，使刀具劇烈磨損，因此在加工過程中，須使刀尖溫度保持在合適的溫度，避免溫度過高。
　　 在斷續切削的條件下用YG8車刀車削帶硬皮的鈦合金工件時，推薦的切削用量為：v=15～28m/min，f=0.25～0.35mm/r，ap=1～3mm。
　　 在連續切削的條件下用YG3車刀精車鈦合金工件時，推薦的切削用量為：v=50～70m/min，f=0.1～0.2mm/r，ap=0.3～1mm。表2為車削加工鈦合金時可供選用的切削用量。
　　 表2.車削鈦合金時的切削用量
　　 工序性質－鈦合金材料－硬度－切削余量(mm)－切削速度(mm/min)－走刀量(mm/r)
　　 荒車－TA1～7，TC1～2－軟－＞氧化皮厚度－18～36－0.1～0.25
　　 荒車－TA8，TC3～8－中－＞氧化皮厚度－12～27－0.08～0.15
　　 荒車－TC9～10，TB1～2－硬－＞氧化皮厚度－7.2～18－0.06～0.12
　　 粗車－TA1～7，TC1～2－軟－＞2－30～54－0.2～0.4
　　 粗車－TA8，TC3～8－中－＞2－24～54－0.15～0.3
　　 粗車－TC9～10，TB1～2－硬－＞2－15～30－0.1～0.2
　　 精車－TA1～7，TC1～2－軟－0.07～0.75－37.5～60－0.07～0.15
　　 精車－TA8，TC3～8－中－0.07～0.75－30～48－0.07～0.12
　　 精車－TC9～10，TB1～2－硬－0.07～0.75－18～36－0.05～0.12
　　 用YG6X車刀車削TC4（硬度為HB320～360），ap=1mm、f=0.1mm/r時的最佳切削速度為60mm/min。在此基礎上不同走刀量和切削深度下的切削速度見表3。
　　 表3.車削鈦合金TC4的切削速度
　　 ap－1mm－2mm－3mm
　　 F(mm/r)－0.1,0.15,0.2,0.3－0.1,0.15,0.2,0.3－0.1,0.2,0.3
　　 V(mm/min)－60,52,43,36－49,40,34,28－44,30,26
　　 加工鈦合金的典型車刀具有如下特點：①刀片材料為YG6X，YG10HT；②前角較小，一般γ0=4°～6°，增強刀頭強度；③有f=0.05～0.1mm的負倒棱，以增強刀刃的強度；④后角較大，一般α0=14°～16°，以減少后面的磨擦，提高刀具耐用度；⑤一般不允許磨出尖角或過渡刃，而磨出刀尖圓角r=0.5mm左右，粗車時可達r=1～2mm，以增強刀尖強度；⑥精車或車削薄壁件時，刀具主偏角要大，一般為75°～90°。
　　 切削用量：
　　 粗車：v=40～50m/min，f=0.2～0.3mm/r，ap=3～5mm。
　　 半精車：v=40～45m/min，f=0.2～0.3mm/r，ap=1～2mm。
　　 精車：v=50～55m/min，f=0.1～0.15mm/r，ap=0.2～0.5mm。
　　 使用乳化液冷卻，可有效地提高刀具耐用度。在保證刀頭強度的前提下使刀頭具有高的耐磨性和硬度是合理加工鈦合金的關健。因此選用的YG6X刀片在刃磨后應當用金剛石或碳化硅油石背刀（背出倒棱），達到消除刃磨鋸口、增強刀刃強度的目的。
　　 粗車不規則黑皮工件時，一般將刀片磨出3°～+5°刃傾角；精車時，一般無刃傾角，此時的刀具磨損主要為前刀面粘附（粘結）磨損。
　　 這種典型車刀能較合理地解決加工鈦合金時材料活性隨溫度升高而增加及導熱性差的問題，因而刀具耐用度大為提高。
　　
　　 3.2 鉆削
　　
　　 鈦合金的鉆削加工比較困難，常在加工過程中出現燒刀和斷鉆現象，其主要原因是鉆頭刃磨不良、排屑不及時、冷卻不佳以及工藝系統剛性差等。
　　 （1）鉆頭的選擇：直徑大于5mm的鉆頭，最好選用硬質合金YG8作為刀具材料；加工小于5mm的孔時，可用硬度大于63HRC的高速鋼鉆頭（如M42或B201）；當孔深小于直徑兩倍時，采用斜槽（短型）的鉆頭；當孔深大于直徑兩倍時，采用麻花鉆頭。鉆頭的幾何參數：λ=0°～3°，αc=13°～15°，2φ=120°～130°。
　　 為了易于形成切屑、減少磨擦并改善鉆頭的切削能力，可根據鉆頭直徑減少導向刃帶的寬度至0.1～0.3mm，修磨橫刃到0.1D，并雙重刃磨頂角2φ=130°～140°，2φ=70°～80°。表4列出了雙重鋒角式鉆頭的幾何參數。
　　 表4.雙重鋒角式鉆頭幾何參數
　　 鉆頭直徑(mm)－頂角2φ－第二頂角2φ0－第二鋒刃后角α－b(mm)－c(mm)
　　 >3～6－130°～140°－80°～140°－12°～18°－～1.5－0.4～0.8
　　 >6～10－130°～140°－80°～140°－12°～18°－1.5～2.5－0.6～1
　　 >10～18－125°～140°－80°～140°－12°～18°－2.5～4－0.8～1
　　 >18～30－125°～140°－80°～140°－12°～18°－4～6－1～1.5
　　 （2）切削用量
　　 硬質合金鉆頭：v=9～15m/min，f=0.05～0.2mm/r；高速鋼鉆頭v=4～5m/min，f=0.05～0.3mm/r。
　　 （3）鉆削深孔或小直徑孔時，可采取手動進給。鉆孔時必須周期性地從孔中退出鉆頭，以便清除切屑。為了避免鉆頭強烈磨損，不能讓鉆頭停留在孔中不進不退，否則鉆刃會摩擦加工表面，造成加工硬化，使鉆頭變鈍。鉆孔時必須充沛地供給冷卻潤滑液。一般用豆油，必要時可加法國OLTIP鉆孔攻絲專用油。盡可能提高工藝系統剛性，將鉆模固定在工作臺上，鉆模宜貼近加工表面，盡量使鉆頭縮短。
　　 取鉆頭后面轉角處的磨損h后=0.4～0.5mm作為鉆頭磨鈍標準。
　　 （4）鉆削實例：用鉬高速鋼鉆頭在α+β型TC4鈦合金工件上進行鉆削加工，鉆頭直徑D=6.35mm，孔深H=12.7mm。選切削參數v=11.6m/min、f=0.127mm/r，使用乳化液冷卻。刀具耐用度T以磨損寬度h后=0.38mm為標準，每根鉆頭可鉆260個孔，效果極佳。