王 鹏，李媛媛，董新飞，孙旭东

（西部金属材料股份有限公司，陕西 西安 710201）

钛合金是一种非常重要的材料，不仅具有较高的强度，而且质量轻，具有良好的抗腐蚀性和力学性能，因此，在海洋技术领域及空间技术领域有着非常普遍的应用，但钛合金铣削加工一直是一个难点问题[1]。为了研究钛合金铣削加工技术，本文以钛合金光学镜为例，对数控加工技术在钛合金材料加工中的应用展开探讨。

1 钛合金零件的性能特点及其应用

①钛合金材料强度高，可以达到1500MPa以上，密度小，只有4.5g/cm3，是比强度最高的金属材料之一。②钛合金高温强度高，在300℃～500℃具有非常好的热稳定性，与铝合金相比强度高出其数十倍之多。③钛合金抗蚀性非常的突出，在海水介质以及潮湿大气当中，钛合金与不锈钢相比，其抗蚀性好更好，在抵抗应力腐蚀、点蚀、酸蚀方面性能更加优越。④钛合金有着非常强的化学活性，与大气中02、N、H、C0、C02、水蒸气等接触之后能够形成强大的化学反应，温度在600℃时，具有强烈的吸氧性，形成硬化层，具有非常高的硬度，脆化层和H含量有着至关重要的影响。⑤钛导热性不良，导热系数偏低，是Ni、Fe、A1的1/4、1/5、1/14。而在导热系数方面钛合金材料更低，通常在50%。

2 应用举例

将加工钛合金光学镜筒作为研究对象，探讨其加工工艺过程中存在的一些难点，选择冷却液与刀具，对比相关的加工措施，阐述分析钛合金铣削加工工艺[2]。

（1）光学镜筒零件介绍及加工内容。对于光学镜筒而言，在其加工过程中有着非常高的精度要求，同时还有着较强的密封性和强度要求等，加工过程中应用的钛合金材料为TC4，属于一种a+β钛合金。林间加工过程中，通过数控铣削外形圆弧R42.5，119下端面减重腔、140右端面减重腔及密封槽、外形斜筋及减重腔。为更好的保证设计基准以及工艺基准和加工基准存在的统一性，在Φ77圆柱以及140右端面中心点位置设置加工基准。

（2）钛合金的切削加工难点。①具有非常低的弹性模量，而且存在较大的弹性变形，与后刀面位置想接近处工件表面具有非常大的回弹量，因此后刀面和加工表面，都存在非常大的接触面积，增加刀具的磨损程度。②导热系数不高，需要很高的切削温度。切削部位和刀具无法较常接触，导致切削刃周围一定区域上集聚很大的切削热量，难以快速散去。③钛合金具有非常高的硬度，塑性较低，加大了剪切角，前刀面与切削部位不能较长接触，造成大的切削力存在于单位前刀上，极易引发崩刃。④加工过程中有明显的硬化问题出现在材料表面。因钛具有非常高的活性，能够和大气中很多物质形成突出的化学反应，增加表层的硬度与脆性，尤其是高温条件下加工过程中，会有氧化硬层出现，加大局部应力，使材料疲劳强度大幅降低，极易对刀具造成损坏。⑤存在非常突出的黏刀问题。切削过程中，刀具材料常常被切削表面层进行咬合，引发突出的黏刀问题，增加磨损程度。⑥加工斜面倾角过程中存在明显的过切现象。通过高晶加工策略应用之后，存在型腔中的一些角落，还有明显的不光滑问题。倘若随着型腔轮廓有一条刀路，那么这些角落会很光滑。图1显示斜率的部位出现刀路过切问题。⑦加工密封槽。密封槽的规格为深、宽分别为1.97mm、3.8mm，受槽宽影响，只能保持3.8mm的铣刀直径。依照铣刀标准，利用Φ3立铣刀进行切削。过去在进行切削过程中，主要通过0.5mm层铣法，将Z轴作间隙运动，依照XY轴方向进给刀具。因铣削过程中，在切削厚度上，各个刀齿都较小，由于切削厚度非常薄，取消过程中需要摩擦一段刀具，才可进行切削。

在径向上刀具受切削力作用，极易导致刀具发生弯曲问题，对其使用寿命造成不利影响，特别是小直径的刀具影响更为突出。折断刀具过程中，受离心力的影响，在此位置会出现啃刀，对于密封槽的蜜蜂作用造成很大影响，极易引发零件报废。

图1 过切示意图

3 解决问题的措施

（1）刀具的选择。加工过程中，该刀具在耐磨性以及抗弯强度和耐热性方面，与硬质合金铣刀相比较弱，具体加工时需要进行让刀，因此应用细齿硬质合金铣刀，为GC1030（HC)-S15材质，能够很好的应对抗塑性变形以及抗积屑性，加工表面质量较高。

（2）切削参数的优化。采用较低速度进行切削，能够降低鳞刺和积屑瘤的出现；进给量不大，使得表面粗糙度提高，有效控制弹性变形，然而因钛合金材料常常发生氧化硬层，进给量如果不大，会造成刀具一直处于硬化层切削，使其磨损度进一步增强。通过大的背吃刀量，能够有效控制这种现象发生，避免对刀具造成过大磨损，还能延长刀刃使用寿命。

（3）走刀方式的选择。顺铣过程中，因钛合金较小的弹性模量，常常出现让刀问题，所以应当进行光刀一次。顺铣过程中走刀方向以及水平分力，在工作台上相一致，因有间隙存在于丝杠和螺母间，能够造成工作台发生窜动问题，出现啃刀。然而数控加工中心螺母与丝杠没有间隙存在，这更利于顺铣走刀。

（4）切削液的配制。将水溶乳化液（不含氯）作为切削液体，不会对加工表面造成腐蚀，粗加工过程当中，可以通过切削液，将切削过程中产生的热量带走，提高切削刃的强度，控制磨损发生，还有良好的冷却作用。配制成5%的溶液，精加工过程中通过切削液，可以有效保证表面质量，控制前刀面与切屑间产生的摩擦角，使得剪切角增大，并降低铣削力，起到良好的润滑效果，配制为10%的浓度。

（5）密封槽的加工。钻削式去除材料法是依照Z轴方向对刀具进行进给，间运动沿着XY轴运动，对材料大量快速的进行去除，并能很好的保护刀具，增强其使用寿命，避免过多的成本投入。

4 结论

①加工钛合金材料过程中应当低速进行，同时采用大吃刀量，所以控制进给量。利用高速钢铣刀进行粗加工，利用PVD涂层硬质合金铣刀进行精加工，保证效率与质量的同时，有效控制成本。②经计算获知，斜面斜率情况引发球头刀以及斜面切削点发生很大变化。③窄槽加工时，可以利用钻削式去除材料法。