航天军工用新型高强度钛合金切削刀具技术研究

1、引言

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能和低温性能好及热强度高等优点，是航空航天工业中广泛使用的材料[1]。国内航空、航天及军工等行业已经开展了对钛合金材料高速铣削的研究和应用，加工零件以结构件为主，主要解决加工效率和刀具耐用度的问题[2]。

TB18钛合金是西部超导公司与国内高校、科研院所合作开发的一种新型近β钛合金，其名义成分为Ti⁃5Al⁃5Mo⁃5V⁃6Cr⁃1Nb⁃0.5Fe，经热处理后该合金的断裂韧性与传统高强度合金保持同一水平，但静强度更高，同时具有良好的淬透性[3]。该材料的特点是高强度（1300MPa）、高黏性和高韧性，比常用的TC4、TC18、TC21材料的可加工性更差。由于目前国内外缺少对该材料的加工刀具和切削技术的针对性研究，市场上暂无合适的加工TB18钛合金高效切削刀具，严重制约TB18材料的加工效率。

本文从TB18钛合金的铣削和钻削两类典型刀具出发，开展刀具的结构选型和切削参数试验研究，改进刀具结构，制定粗、精加工最优刀具选用方案，并进行试验验证，达到提升TB18钛合金加工效率、提高刀具使用寿命的目标。该研究为TB18新型钛合金材料的切削加工提供了一定的参考。

2、TB18材料切削加工问题分析

由于新型超高强度钛合金材料TB18的化学成分中金属元素Mo，Cr，V以及稀有元素Nb的存在，使TB18钛合金材料相对于常用TC4，TC18，TC21钛合金的可加工性能极差，尤其在热处理后材料抗拉强度达到σ_ｂ＝1315MPa时。对TB18钛合金材料（热处理后）的切削性能开展研究，根据粗、精加工选取不同类型的通用钛合金刀具进行试验，刀具的切削参数及刀具使用寿命见表1。

与常用的TC4、TC18、TC21材料切削过程对比，铣削、钻削TB18材料时主要面临的问题有：

①铣削加工刀具（可转位刀片式快进给、整硬合金铣刀等通用机械加工刀具）磨损快，易崩裂，刀具寿命极低。同等切削条件下与加工常用钛合金的刀具寿命相比，粗加工快进给铣刀片寿命缩短了50％～80％，精加工整硬合金铣刀寿命缩短67％～83％。经分析，刀具失效方式为月牙洼、积屑瘤导致的快速烧蚀和崩刃（见图1）。

图 １　TB18铣削加工的几种失效形式

②钻削加工时材料难以断屑（见图2），刀具刃口切屑黏结且容易崩刃，U钻（φ20mm）加工孔深90mm的内孔需要更换三次刀片才能完成，刀片寿命短，使用过程需频繁更换，加工效率极低。

图 ２　TB18钻削不断屑

③铣削加工效率更低。粗加工快进给铣刀切削线速度为20～30m/min，为常用钛合金加工刀具的30％，进给速度150～400mm/min，为常用钛合金加工刀具的25％～30％，加工效率大幅降低，精加工整硬合金铣刀的加工工艺参数也远低于常规钛合金刀具。

通过试验发现，导致加工TB18材料的各类刀具失效的主要形式为刀具快速磨损和烧蚀。经初步分析，与通用钛合金相比，TB18材料具有更高的黏性，极易产生切削热，且由于加工过程未得到充分冷却，加剧了刀具的黏结和烧蚀，造成刀具失效。

3、试验研究

3.1　试验方案

为了提高TB18材料的加工效率与刀具寿命，针对不同的加工工况开展刀具选型试验，以提高加工效率和刀具寿命为目标，优化刀具结构，并通过试验确定加工工艺参数。

3.1.1　铣削工序粗加工

在使用大直径φ80mm、主偏角12°的快进给铣刀进行粗加工时，做出以下改进：①为提高刀片寿命，降低切削刃与工件的接触面积，将原有快进给刀具7°的主偏角增加为9°；②为解决材料高黏、刀具易烧蚀问题，优选牌号2000Ti新型切削液，减小铣削过程中的切削热；③为避免切削抗力大造成毛料振动过高、刀片崩碎情况的发生，调整刀具轴向前角为11°，径向前角为6.5°，保证切削过程稳定。

3.1.2　铣削工序精加工

以原先试验使用的φ25mm硬质合金立铣刀为例，由于TB18钛合金的高强、高黏特性，试验过程中极易产生刀具振动以及大量切削热，为避免刀具失效，提高精加工效率，本文对传统刀具进行结构改进，设计了密齿前波刃整体硬质合金铣刀（见图3）。

图 ３　波刃刀具设计

具体改进为：①通过公式F＝fz×N×Z可以看出，在进给速度不变的情况下，增加齿数可以减小每齿进给量，延长刀具寿命，因此将齿数从4齿更改为6齿；②为了增强断屑能力，将前刀面变为前波刃刀具结构；③选择Ｃｏ含量为10％的整体硬质合金材料，以平衡刀具的韧性和耐磨性；④选用AlTiＮ基多层涂层增加刀具的耐磨性；⑤设计多孔内冷结构，加强冷却效果，减小切削热。

3.1.3　钻削加工

由于TB18钻孔时高黏、高强钛屑不易排出，冷却无法及时到达切削部位，刀尖易烧伤崩齿，甚至刀体断裂。根据上述加工特点，以直径20mm为区分，拟进行如下技术选型和设计优化。对于Ｄ≤20mm的孔加工：①采用整体硬质合金钻头（见图4），钻头采用双刃带设计，提高刀具的稳定性；②刀体排屑槽螺旋角采用12°结构设计且齿槽抛光处理，减少钛屑与刀体接触面，降低摩擦，减小切削热；③加大倒锥度为0.25/100，减小钻头与孔壁的摩擦；④加大内冷孔，提高冷却效果和排屑能力；⑤优选AlCrZr基涂层增加刀具的耐磨性。

图 ４　整体硬质合金钻头设计

对于Ｄ＞20mm的孔加工：①采用可转位U钻，刀片采用复合涂层，增加刀片耐磨性；②配备12ｂａｒ以上冷却液压力，提高切削冷却效果；③孔加工方式选用切削量逐层递减的切削方式，前1/3孔深处加大每齿进给量，提高加工效率，后2/3采用逐层递减，提高耐磨性；④周边刀片和中心刀片采用不同材质，所用中心刀片能够实现逐步进刀方式，达到切削力均匀分布；周边刀片采用Ｗｉｐｅｒ技术，以提高孔壁质量（见图5）。

图 ５　Ｕ 钻加工

3.2　试验结果

采用快进给铣刀在5Ａ3Ｐ重型切削机床上进行铣削试验，优化后的刀具可适应更大的每齿进给量，对切削加工参数进行优化后，切削效率和刀具寿命均有所提升（见表2）。优化后刀具的切削线速度可达40m/min，刀具的断屑效果、切削力和振动等均得到明显改善（见表3）。

优化后的硬质合金钻头寿命由原来的15min提升到60min，孔壁比原先更光滑（见表4）。优化后的U钻寿命从20min/把提升至50min/把，是原先的

2.5倍，孔壁更光滑（见表5）。

3.3　对比分析

通过试验前后数据对比，优化后的TB18钛合金刀具加工效率及寿命均有所提升。

效率提升：TB18钛合金粗铣快进给铣刀的金属去除率从32.6ｃm3/min提升至50.4ｃm3/min，提升至原来的1.5倍；精铣硬质合金立铣刀切削线速度从26.3m/min提升至40.035m/min，提升至原来的1.5倍。

寿命提升：用于TB18材料粗铣的快进给铣刀刀具寿命从60min/把提升了90min/把，提升了1.5倍；硬质合金铣刀的刀具寿命从30min/把提升了83min/把，提升了2.8倍；硬质合金钻头寿命从15min提升至60min，提升了4倍；U钻寿命从20min/把提升了50min/把，提升了2.5倍。

4、结语

通过刀具切削对比试验对新型钛合金TB18的切削性能进行研究，分析刀具的主要失效形式，优化改进刀具结构并合理选取切削参数，得出以下主要结论。

（1）与通用钛合金的切削加工相比，TB18材料具有更高的黏性，极易产生切削热，刀具失效的主要形式为刀具快速磨损和烧蚀。

（2）对典型钻削、铣削刀具进行优化改进，经试验验证，改进后的刀具可有效降低切削过程中摩擦热的产生，刀具寿命提升明显。

（3）为提高生产效率、降低加工成本，本文对切削参数进行优化。试验结果表明，优化后的切削参数可以使加工效率得到有效提升，验证了切削参数优化方案的可行性，为今后TB18材料的加工提供一定的参考。

相关链接