吴宏强

（厦门金鹭特种合金有限公司，福建厦门361006）

0 引言

钛合金是广泛应用于航空工业的合金。但是，这种材料非常难加工。钛合金的变形过程与普通材料如铝合金和钢材有很大的不同。在加工条件（高温、应变率和应变）下，钛合金根据切削参数会经历不同的变形过程。在加工区域内的应力、温度和振动是3个与刀具失效、尺寸误差和表面粗糙度相关的主要因素。刀具磨损、表面完整性，尺寸误差和生产效率是相互关联的，是由切削参数决定的，如切削速度、进给量和切削深度，冷却的类型和切削刀具材料。其中，冷却、切削速度和进给量在高速切削中占主要的影响。冷却通过降低切削温度、在刀具-切屑间和刀具-工件间起到润滑作用，从而提高加工性。钛合金高速加工性的改善很大程度取决于冷却和润滑的有效性。提高加工性一般是延长刀具寿命、更好的表面完整性和更好的尺寸精度。

1 冷却方式

近些年已经开发出多种技术控制切削区域的温度和提高整体冷却和润滑过程的有效性，如低温冷却、固体冷却剂/润滑油、微量润滑/半干式加工、高压冷却、刀具内部冷却、压缩空气/气体。Hong等设计了微型喷嘴并向切削刃和刀-屑接触面温度最高位置喷射液氮，从而提高刀具寿命。Wang等指出在车削Ti-6Al-4V合金时使用液氮冷却可以提高3倍刀具寿命。Kovacevic等研究了在铣削钛合金过程中高压喷水冷却可以提高表面质量和刀具寿命。在所有的冷却方式中，冷却介质需要进入切削区域才能有效提高切削加工性［1］。

2 刀具失效分析

不同类型的切削刀具被测试用于加工不同型号的钛合金。产生刀具磨损的主要原因是涂层分层(涂层刀具)、黏结、磨料磨损、扩散、塑性变形和裂纹。化学反应和涂层与基体的热膨胀系数的不同是涂层分层的两个可能原因。工件材料与刀具的黏结在钛合金加工中很常见。在前刀面和后刀面都可以观察到磨料磨损。当使用涂层/未涂层硬质合金刀具在相对较高速度切削钛合金时发现钴和钨原子向工件材料扩散。在紧密接触的刀-屑界面，极端温度和压力的作用加速了刀具材料向工件材料的扩散。在加工时更高的温度条件下，Ti-6Al-4V合金中的Ti、Al和V扩散到WC刀具中。在相同的条件下，WC刀具中的W和Co也会扩散到Ti-6Al-4V合金中［2］。这些过程改变了刀具成分并影响了刀具的性能。在高速切削时，发生扩散是由于更高的切削温度和更小的刀-屑接触界面。一般会同时出现多种刀具磨损机理，并互相影响，破坏和减弱刀具性能，加速现有裂纹的扩展［3］。

3 冷却方式的影响分析

在设置和不设置冷却条件下，提高钛合金加工效率是目前研究重点。在以前并没有研究在钛合金切削过程中刀具磨损可以忽略不计时，不同冷却方式、切削速度和进给量对尺寸精度和表面粗糙度的影响。钛合金的独特的变形机理很大程度上依赖于加工温度。因此，当刀具磨损可以忽略不计时，尺寸误差、圆度和表面粗糙度是依赖于冷却方式、切削速度、进给量。M.N.Islam［4］研究了量化和优化3个参数——冷却方式、切削速度和进给量对车削钛合金零件尺寸精度和表面完整性的影响及它们之间的相互影响。切削条件如表1和表2所示。

表1 切削条件

表2 切削参数

3.1 对尺寸误差的影响

方差分析显示切削速度对于尺寸误差具有最显著的影响，占比P=27.10%，第二是冷却类型，P=25.00%，进给量P=8.90%的影响最小。冷却类型和进给量之间的相互作用在切削过程中也伴有重要角色（P=11.63%）。值得指出的是主要的影响占比61%左右，相互作用的影响占比39%。结果显示最小直接误差是在高冷、高速和中等进给量条件下得到的。液氮冷却提供最优冷却得到最小的直径误差，最优参数组合为高速切削（100m/min）和中等进给量（0.22 mm/r）。对于干式和冷却液条件下，在低速和中等速度时，直径误差随着进给量的增加而减小。另一方面，液氮冷却显示另一个趋势：当进给量从小增加到中等水平时，直径误差减小，但是当进给量继续增加到高水平时，直径误差增加。

3.2 对圆度的影响

冷却类型对圆度的影响最显著，占比P=76.75%，接着是进给量（P=6.29%），切削速度影响最小（P=0.83%），冷却类型与进给量的相互作用也很重要，占比P=5.37%。主要影响总占比84%，互相作用的影响占比16%，因此，通过优选输入参数很容易优化圆度误差。因此，得到最好圆度的最佳组合为干式切削、中等切削速度（67 m/min），中等进给量（0.22 mm/r）。液氮冷却方法导致更坏的圆度性能，干式切削的圆度最好。

3.3 对表面粗糙度的影响

进给量对表面粗糙度影响最显著（P=97.14%），然后是冷却类型（P=0.16%）和切削速度（P=0.08%），切削速度的影响可以忽略不计。进给量与切削速度的相互影响占比P=0.96%。相比于相互影响，主要影响（特别是进给量）在优化结果中角色最重要。

4 结语

通过M.N.Islam等进行的3种冷却条件下，钛合金零件在不同切削参数下的正交车削实验，分析了冷却条件和切削参数对零件尺寸精度和加工表面完整性进行了分析，对于优选钛合金高效切削加工条件提供了技术基础。

［1］ WANG Z Y，RAJURKAR K P，FAN J.Turning Ti-6Al-4V with cryogenic cooling［J］.Transactions of NAMRI/SME，1996（24）：3-8.

［2］ MOLINARI M N.Modeling of tool wear by diffusion in metal cutting［J］.Wear，2002（252）：135.

［3］ LALWANI D I，MEHTA N K，JAIN P K.Experimental investigations of cutting parameters influence on cutting forces and surface roughness in finish hard turning ofMDN250 steel ［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008（206）：167-179.

［4］ ISLAM M N，ANGGONO J M，PRAMANIK A，et al.Effect of cooling methods on dimensional accuracy and surface finish of a turned titanium part［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013（69）：2711-2722.