引言
钛合金材料是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等 优点而被广泛用于各个领域。钛合金不仅是航天航空工业中不可缺少的重要结构材料，其在民用领域也得到 了广泛的应用。在船舶行业中，钛合金主要用于耐压客体、螺旋桨、浆轴、各类管接头、冷却器、冷凝器、 发动机部件、升降装置及发射装置等。在医疗行业，钛合金被认为是很好的医用金属材料，常被用作植入人 体的金属植入物等[1]。许多国家都意识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行研究开发，得到了很好的 实际应用。虽然钛合金具有强度高、密度小、机械性能好、韧性和抗蚀性能很好等优点，但因其加工成本高 ，使得其在行业中的发展受到制约。造成加工成本高的因素有两个方面:一方面钛合金切削时摩擦力大、温 度高、刀具磨损严重，需采用高性能刀具，因而大幅提高了其制造费用；另一方面切削钛合金的速度比切削 钢的速度低50％以上。而典型钛合金的切除率仅为普通钢件的25％左右，故加工钛合金零件所花费的时间大 约是钢件加工的4倍，极大地降低了生产效率，提高了生产成本[2－6]。但钛合金难于切削加工不仅仅在于 其硬度，关键在于其本身化学、物理、力学性能综合作用对切削加工性能的影响。
通常情况下，高精度的销轴加工方法主要是先车削留0.1mm左右余量，再进行磨削。由于钛合金自身的 特性，在磨削过程中，零件表面不但容易产生硬化，而且伴随着温度的升高，零件表面还会出现裂纹，从而 影响表面质量。为了解决这一问题，采用以车代磨的加工方法，通过粗车、半精车、精车直接车至图纸尺寸 要求，且使用YG系列刀具材料。此方法虽然能使加工质量相对满足零件要求所需，但也存在着诸多不足， 如:刀具使用寿命较短；刀具抗冲击力较差；加工效率较低等。
笔者以TC4钛合金轴ϕ20棒料为例，使用高钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)刃磨刀具，经过多次试验， 通过合理选择刀具参数、切削参数、切削液等一系列具体措施，解决了钛合金在车削中过程中的技术性难题 ，相比YG系列刀具材料而言，该刀具具有一定的优势，不仅保证了零件加工质量，还提高了生产效率，降 低了生产成本。
1、材料分析
钛是一种新型稀有金属，其性能与杂质含量有关，主要杂质包括碳、氮、氢、氧等。最纯的钛就是碘化 钛，其杂质含量不超过0.1％，当前工业所用纯钛，其纯度为99.5％，性能如表1所列。纯钛的特征为重量轻 ，强度、硬度高，具有金属光泽。
TC4钛合金是一种银白色的双相合金，其成分如表2所列。它综合性能和组织稳定性能较好，并具有良好 的韧性、塑性和抗高温变形能力。通过热处理可进一步提升其综合性能，热处理后其强度可提高50％~100％ ，能在500℃左右继续保持良好的机械性能，也能在-196℃~-253℃低温下仍有较好的延伸性和韧性。
2、刀具材料及几何角度的选择及试验
2.1刀具材料的选择
钛合金散热性差，车削容易产生局部高温，高温对车刀刀尖具有软化效应，从而加剧刀尖磨损，使主切 削力瞬时增加，产生抗力，进而导致刀尖崩碎。因此，在刀具选择上要优先考虑导热性能较好的材料，导热 性好的材料散热快，可避免车削过程中因局部温度迅速升高而造成刀具剧烈磨损，从而降低刀具切削性能并 缩短刀具使用寿命。试验表明，在抗冲击方面，高速钢优于硬质合金，但高速钢红硬性、耐磨性不如硬质合 金。钛合金在高温时化学活性大，易与空气中的氧和氮发生化学反应，产生硬脆化合物，使得局部硬度迅速 提高至ＨＲＣ60以上，加速刀具磨损。因此采用高速钢车刀车削钛合金时必须在低温低速下进行。钛与硬质 合金ＹＴ、ＹＷ中的元素易亲和，亲和现象会加速刀具磨损，使过渡表面迅速硬化，并最终导致崩刃，无法 继续切削。金刚石、陶瓷、立方氮化硼的刀具虽然也可以对钛合金进行加工，但其工艺性能相比高速钢较差 ，且加工成本较高。综上试验分析，最终实验选择了高速钢，该材料中无钛元素，并具有综合性能较好且成 本较低的特点。
2.2刀具材料及几何角度的选择
由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产 生粘结磨损[6-8]。因此在刀具刃磨结束后，可采用油石打磨，以便提高刀具表面光洁度，有效降低粘结现 象的产生；或采用高硬度砂轮刃磨刀具(如金刚石)，也可直接提高刀具刃磨质量。刀具几何角度选择的正确 与否，直接影响零件加工质量和刀具的使用寿命。通过多次车削试验和数据分析，确定了最优刀具参数，经 过光学对刀仪(见图1)测得刀具参数如表3所列，其参数变化不得超过±1°。以表3参数为依据，随着刀具角 度逐渐减小，主切削力会逐渐增大，这容易引起工件变形；而当刀具角度逐渐增大时，刀具强度会随角度增 大而减小，此时车削时容易产生震动，且刀尖磨损速度也会加快。
3、切削用量及切削液的选择及试验
3.1切削用量的选择
车削钛合金就是对钛合金进行粗精车，在去除大量加工余量的同时，还需保证其加工精度。切削参数的 合理选择影响着零件的加工精度及生产效率，并直接决定着生产成本的高低。因此，在粗精车时，首先考虑 的是如何提高刀具使用寿命。影响刀具使用寿命的因素，除刀具材料、工件材料、刀具参数外，最主要的因 素就是切削用量。车削试验如图2所示。
实验表明，刀具的磨损主要取决于切削温度，而影响切削温度的主要因素是切削速度和背吃刀量，进给 量次之。切削参数如表4所列。实验表明，一号刀具的车削性能优于二号刀具，因此在粗车时，建议使用一 号刀具参数。其低速车削时，在大量浇注冷却液的情况下，通过增大背吃刀量或进给量，不仅提高了生产效 率，还不会影响刀具使用寿命。文章以ap＝4.5ｍｍ、Vc＝19.02r/min、ｆ＝0.18mm/r进行了整体零件的 粗加工，结果发现一号刀具无任何磨损现象产生，明显优于二号刀具。但二号刀具在车削速度较高时，尤其 是背吃刀量较大时优势明显。
相同的情况下，二号刀具的表面加工质量明显优于一号刀具。综合结果分析得出，一号刀具适合TC4钛 合金的粗加工，二号刀具适用于精车，其切削参数aｐ＝0.5mm、Vc＝50.24m/min、ｆ＝0.1mm/r。
3.2切削液的选择
实验表明，相比干式和冷风切削，油雾冷却条件下的切屑毛边高度和间距显著减小，毛边频率提高。
这表明，随着冷却润滑条件的改善，刀具与工件挤压程度逐渐降低，切屑的侧向塑性流动减小，毛边现 象趋于减弱[9]。采用干式切削时，若切削温度在200~500℃之间，虽然材料化学性能相对比较稳定，但对作 为高速钢材料的刀具会产生一定的磨损。因此，该切削模式采用该刀具材料切削时，温度控制在200℃以下 ，可作为精加工的一个选择。但当切削温度超过500℃时，刀具材料很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆 的外皮，加速刀具磨损，甚至使刀具丧失切削能力；若采用水基切削液进行车削，可有效降低切削温度，但 此方式加工的表面质量较差，铁销容易粘附在机床导轨上，对机床精度造成破坏；采用风冷作为切削冷却虽 然可有效控制切削温度的升高，但其缺乏润滑，因而在车削过程中，容易产生毛边，导致铁销流速变慢，直 接影响零件表面质量。综上所述，此次试验选择了油冷却，油冷却可解决以上存在的共性问题，提高了表面 质量，有效提高刀具使用寿命。值得注意的是切削速度、进给速度不能过高，否则也会发生因零件表面温度 过高而形成的表面烧伤现象。
4、存在的问题和解决措施
4.1主要存在问题
车削钛合金主要存在以下问题:①钛合金化学性能较活跃，容易在车削过程中产生表面硬化；②车削钛合金时，刀具容易磨损；③车削过程中容易产生塑性变形，从而影响加工精度；④加工效率相比钢件而言较低。
4.2解决措施
经过多次车削试验表明，车削钛合金时，刀具磨损主要集中在后刀面，但有时在前刀面也容易形成磨损 。产生这种现象的原因有两种:一是切削参数安排不合理；二是刀具参数选择不合理。由于钛合金材料本身 具备的特性，因此在不影响工艺系统刚性的情况下，尽可能选择较小的主偏角、副偏角、后角、前角、刃倾 角。
综合试验结果总结的要点如下。(1)减小刀具参数，有利于提高加工效率，提高刀具使用寿命，适用粗 加工。(2)减少刀具在车削过程中与零件表面的接触，有利于降低切削温度，提高散热能力。(3)随着刀具参 数的增大，车刀刀刃、刀尖变得更加锋利，使得主切削力减小，工件变形降低，同时提高了表面加工质量， 适用精加工。(4)刃磨刀具时，适当增大断削槽，可以改变铁销流速及形状，有助于提高表面加工质量。(5) 相比ＹＧ系列刀具材料而言，高速钢在车削TC4钛合金时。更具优势。(6)采用油冷却时，不但能有效降低车 削温度，而且提高了铁销流速，有助于提高表面加工质量并减少工件变形。
5、结语
文章以TC4钛合金轴φ20棒料为例展开研究，使用高钴高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)刃磨刀具，通过 刀具参数、切削参数、切削液的合理选择对TC4钛合金进行了多次车削实验，并采用数据分析等方法得到了 TC4钛合金材料零件采用高速钢为材料刀具车削的相关依据，为钛合金的研究应用提供了一定参考。
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