1 引（yǐn）言

     1791 年英國人William Gregor 第一次發現了鈦（tài）元素, 但是由於（yú）純金屬鈦很難製備, 直（zhí）到1932 年盧森堡化學家Wilhelm Justin Kroll 才用TiCl4 和Ca 製取出大量的鈦（tài）。直至今日, 該方法仍然是（shì）應用最廣泛（fàn）的工藝, 被稱為/ Kroll 工藝0。第二次（cì）世界大戰後鈦基合金很快（kuài）發展成為航空發動機的關鍵材料。今天, 航空航天工（gōng）業仍然是鈦及鈦合金（jīn）的主要應用領域, 在其他領域（yù）如建築（zhù）、化工（gōng）、醫藥、能源、海洋和近海、體育休閑以及交通運輸等（děng）行業也得到了越來越廣泛的應用[ 1] 。

     2 鈦合金的分（fèn）類（lèi）及性（xìng）能

     工業純鈦在882 e 發生同素（sù）異構轉變, 常溫下純鈦和（hé）大多數（shù）鈦合金一樣（yàng）都（dōu）結晶成近似理想狀態下的密排六方結構的A- Ti; 高溫下為（wéi）體心立方（fāng）結（jié）構的B- Ti。表1 列出了（le）高純多晶A- Ti 的部分重要物理（lǐ）性能。

     與純鈦相類似, 根據鈦合金的（de）晶格結構, 通常將鈦合金分為A型、A+ B 型和（hé）B 型合金三（sān）大類。在數量（liàng）眾（zhòng）多的鈦合金之中, 美國的Illinois 技術研究所20世（shì）紀50 年代（dài）初開（kāi）發（fā）的Ti- 6Al- 4V 合金（jīn）的應用最為廣泛, 占使用總量的50% 以上。按相分它屬於A+ B型鈦合金, 是在A型鈦合金( 由A相穩定化元素Al 的作用而（ér）產生) 中（zhōng）加入少量的B 穩定化元素( V)得（dé）到的。其力學性能（néng）如表2 所示。

     3 鈦合金的（de）切削加工性

     鈦合金是一種典型的難（nán）加工材料, 其比強度高、導熱性差、加工硬化嚴重; 由於其化學活（huó）性大, 在（zài）一定溫度下與周圍介質容易發生化學反應, 產生脆而硬的外皮, 加（jiā）工時塑性和衝擊韌性劇烈下降, 刀具磨損和破損嚴重、耐用（yòng）度低, 加工精度和表麵質量難以保證, 加工效率很低。

     鈦合金（jīn）的諸多（duō）性（xìng）能中導熱係數、彈性模量、加工硬（yìng）化、化（huà）學活性及合金類型和顯微組織等（děng）起（qǐ）到（dào）了主要作用, 所以鈦合金的切削（xuē）加工存在著以下（xià）一（yī）些限製:

     (1) 鈦合（hé）金的導熱率低, 約為鐵的（de）1/ 3, 阻礙了機加工過（guò）程中所產生熱量（liàng）的散發, 且（qiě）其比（bǐ）熱低, 使得切削區溫（wēn）升過快, 在600 e 以（yǐ）上時表麵形成氧（yǎng）化硬層從而加速刀具的（de）磨損;

     ( 2) 鈦合金的彈性模量低, 使已加工表麵容易產生極（jí）大的回彈, 特別是薄壁零件的加工回彈更為嚴重, 易引起後刀麵與已加工表麵產生強烈摩（mó）擦, 從而磨損刀具和崩（bēng）刃。而且在回彈力（lì）的作（zuò）用下會（huì）引起零件在機加工過程中偏離刀具。

     (3) 鈦合金的（de）硬度較低、化（huà）學活性很強（qiáng）, 導致鈦與刀具之間的產生咬合。且高溫下鈦極易與氧（yǎng）、氫、氮發生作用（yòng）, 使其硬（yìng）度增加, 塑性下降, 在（zài）加熱（rè）和鍛造（zào）過程中形成的（de）富氧（yǎng）層的機械加工困難（nán）。所以, 要成功地切削加工鈦（tài）合金零件應遵循以下通用準則:

     ( 1) 工件盡（jìn）可能短, 並安裝在（zài）夾具中以免出現振動;

     ( 2) 適當增大後（hòu）角, 減小前角以增大切屑與前刀麵的接觸長度, 減小工件（jiàn）與後刀麵（miàn）的摩擦。定時（shí）刃磨刀具保持刀具（jù）的鋒（fēng）利, 防止刀具出現磨鈍後（hòu）的迅速破壞;

     ( 3) 采用剛性的加工設備和（hé）夾具;

     (4) 切削過程采用水溶性油以（yǐ）及氣相亞硝胺型（xíng）防鏽液充分、及時冷卻, 不僅可以迅速散熱, 而且能（néng）預防由於鈦粉、切屑或（huò）碎片而引發的火災;

     ( 5) 采用低的切削速度和高的進給量; 切削過程中不能停止進刀, 因為此時刀具（jù）與工件產生摩擦將促進刀（dāo）具的汙染和粘接, 加速刀具的磨損;

     (6) 機加（jiā）工前應采用噴砂處理或在含（hán）2% 硝（xiāo）酸的溶液（yè）中酸洗去除硬的（de）表麵氧化皮;不同的加工方式因其的切（qiē）削特點和條件不同,在切削加工過程中必然會有不同的側重點, 所以以上通用準則也隻是加工過程中（zhōng）的普（pǔ）通原則。

     4 鈦合金的切削加工

     ( 1) 鈦合金（jīn）的車削加工

     鈦合金的機加工工藝中, 由於車削加工的切削環境容易控製所以易獲得較好的表麵粗糙度, 加工硬化（huà）相對不嚴重, 但切削溫度高, 刀具磨（mó）損快。在（zài）粗加工時, 需要刀具剛性好, 刀具前角、後角小。在精加（jiā）工時（shí）, 為（wéi）得到良好的表麵完整性和尺寸精度, 要（yào）求刀具鋒利, 所以前角、後角、螺旋角要偏大些, 並要求刀刃不帶有倒棱或負倒棱最小（xiǎo）。

     由於鈦的化學活性大, 易產生表麵變質汙染層,導（dǎo）致表層硬度和脆性上升, 易（yì）使刀（dāo）具產生（shēng）缺口、崩刃、剝（bāo）落等現象, 因此增加刃磨次數、延長停（tíng）機時間和機床調整時間, 降低生（shēng）產率; 另外, 鈦的粘刀現象嚴重, 易產生（shēng）積屑瘤, 將引（yǐn）起工件尺寸變化, 影響過盈配（pèi）合的裝配質量, 嚴重時會導致零件報廢。

     ( 2) 鈦合金的鑽削加工

     相對於車削過程, 鑽削過程是（shì）在半封閉狀態下（xià）完成的, 其摩擦大、切削溫度高、排屑難、鑽頭剛度低, 它的鑽削比車削更困難。所（suǒ）以, 鑽削（xuē）加工鈦（tài）合金時應重點考慮: 鑽頭材料、鑽頭（tóu）幾何參數、鑽削用（yòng）量及冷卻液等, 避免在加工過程中極易出現的燒刀、崩刃、加工硬化、磨損過（guò）快等問題。

     在鑽（zuàn）削鈦合金時容（róng）易生成長而薄的卷（juàn）曲（qǔ）切屑,同時鑽削熱量大, 容易使切屑過分堆積或（huò）粘附（fù）在鑽削刃（rèn）上, 這是造成鑽削鈦合金困難的（de）主要原因。因此, 鑽孔要采（cǎi）用短而鋒利的鑽頭和低速強製進給, 支撐支架要緊固, 並要給以重複充分冷卻, 尤其是深孔鑽削。

     此外鑽削過程中鑽頭在孔內應保持鑽削狀態而不（bú）允許在鑽孔內空轉（zhuǎn）, 並應保持低而（ér）恒速的鑽削速度。鑽通孔要仔細, 當快要鑽通時, 為了清（qīng）理鑽頭和（hé）鑽孔, 及去除鑽屑, 最好退回（huí）鑽頭, 最終破孔時采用強製進給, 這樣可以獲得質量（liàng）較高的孔。因此, 鈦合金鑽削加工主要從以下幾個方麵考（kǎo）慮:

     ( 1) 鑽（zuàn）頭材料

     根據（jù）鈦（tài）合金加工特性, 要求鑽頭材料必須具有（yǒu）以下特點（diǎn）:

     ( a) 足夠的硬度。鑽頭的硬度必須（xū）大於鈦合金的硬度。

     ( b) 足（zú）夠（gòu）的強度和韌性。由於鑽（zuàn）頭在加工鈦合金時承受（shòu）很大的扭轉力和軸向力, 因此（cǐ）, 必須有足夠的強度（dù）和韌性。

     ( c) 足夠的耐磨性。由於鈦合金韌性好, 要求切（qiē）削時刀刃要足夠鋒利, 因此刀具材料必須有足夠的抵抗磨損能力, 這樣才能減少加工硬化。

     ( d) 刀具材料（liào）與鈦合金親合能力要差（chà）。由於（yú）鈦合金（jīn）化學活性高（gāo）, 因此要求刀具材料和鈦合金親合能（néng）力要差, 以免形成擴散而造成粘刀、斷鑽（zuàn）等現象。因此, 加工鈦合金的（de）鑽頭既要有較高（gāo）的硬度又要有很好的韌（rèn）性、耐磨性, 而且刀具材料與（yǔ）鈦合金親和（hé）能力要差。

     ( 2) 鑽頭（tóu）幾何參數分析

     鈦合金的加工特性決（jué）定了傳統的標準（zhǔn）麻花鑽頭鑽削加（jiā）工鈦合金時存在許多問題, 主要從以下幾個方麵進行改進:

     ( a) 鑽頭頂（dǐng）角（jiǎo）小（xiǎo）, 切削刃長, 切下（xià）的切（qiē）屑寬, 因而（ér）鑽頭（tóu）扭矩大, 軸向抗力也大（dà）。同時, 切屑卷（juàn）曲成（chéng）螺旋狀程度大, 切屑所占（zhàn）的空間也大（dà）, 排屑不順（shùn）暢, 影響冷卻。

     鑽頭頂（dǐng）角決定切屑寬度和鑽頭前角（jiǎo）的大小。當鑽（zuàn）頭直徑和進給量一定時, 增大頂角, 則切屑變窄（zhǎi）,單位切屑刃上的負荷減輕。同時, 鑽頭外圓處的刀尖角減小, 減小了刀尖角的磨損速度, 同時有利於散熱, 耐用度也得（dé）到（dào）提高。頂角對前角有（yǒu）很（hěn）大影響, 相應增大頂角有利於改善鑽（zuàn）心處的切削條件。頂角影響切屑流（liú）出的方向。頂角較大（dà）, 切屑（xiè）卷曲成螺旋的程度減小, 且比較平直, 容易排除, 即提高了（le）排屑性能。通過分析試驗, 加工鈦合金時, 采取增大鑽頭頂角的方法, 一般頂角的取值範圍是135b~ 140b時鑽削效果較好（hǎo）。

     (b) 鑽頭鑽心厚度小。由於鑽削加工（gōng）鈦合金時鑽（zuàn）頭承受很大扭矩和軸（zhóu）向抗力。鑽心（xīn）厚度小（xiǎo）, 則鑽頭（tóu）強度低, 特（tè）別是小（xiǎo）直徑鑽頭, 鑽頭易發生折斷, 需增大鑽心厚度以提高鑽頭強度。所（suǒ）以要適當增加鑽心（xīn）厚度。鑽心厚度一般為K= ( 0. 45~ 0. 32) D式中, K 為鑽心厚度, D 為鑽頭直徑。

     ( c) 鑽頭螺旋角小。螺旋角直接影響主切削刃（rèn）的前角。螺旋角越大, 則刃口越鋒（fēng）利, 切削越輕快,否則會造成嚴重的加工硬（yìng）化現象使得刀刃很快磨損。由麻花鑽的外形特點可知切削刃上各點螺（luó）旋角是（shì）變化的。越靠近外圓（yuán）處螺旋角越大, 前角也越大（dà）,切削（xuē）刃越鋒利, 切削性能越好。而靠近（jìn）鑽心處螺旋角（jiǎo）最小, 切削性（xìng）能最差, 可以將此處（chù）磨（mó）成球圓弧狀,以（yǐ）改善（shàn）切削條件。

     隨螺旋角增加, 切削刃強度減弱, 磨損快, 甚至會發生切削刃（rèn）燒毀等現象。因此合理選擇（zé）螺旋（xuán）角,以適合鈦合金鑽削加工成為關鍵問題。

     ( d) 鑽頭（tóu）外緣處後角小, 影響鑽心（xīn）處切削（xuē）刃的前角。鑽頭切削刃各點上的後（hòu）角也是不等（děng）的, 愈接近中心, 其後角愈大。因此, 鑽頭後角（jiǎo）的標注和要求,都以鑽頭外緣處為準, 增大鑽頭外緣處後（hòu）角, 可（kě）以使切削刃鋒利, 改善切削性能, 特別是對鑽心處的鑽削加工有（yǒu）明顯改善。因此, 適當的改進（jìn）鑽（zuàn）頭幾何參數,以適合鈦合金鑽削加工十分重要。

     ( e) 選取適當的（de）進給（gěi）量。在鈦合金的鑽削過程中, 應采用較低的切削速度, 以免（miǎn）切削溫度過高; 進給量應適中, 進給（gěi）量過大易引起刀刃燒傷。根據實踐（jiàn）經驗, 通常（cháng）取（qǔ）進給量為f = 0. 05mm/ r~ 0. 15mm/ r,切（qiē）削速度v= 10~ 30m/ min。

     ( 3) 選用有效的冷卻係統和合適的冷卻液。鑽（zuàn）削加工鈦合金時最好不用含氯的冷卻液, 以避免產生有毒物質（zhì）和引起材料的氫脆。鑽削淺孔時, 可用電解切削液（yè）, 其成（chéng）分是（shì）: 葵二酸7~ 10% , 三乙醇胺7~ 10% , 甘油7~ 10% , 硼酸7~ 10%, 亞硝酸鈉3~ 5%, 剩餘為水。

     鑽削深孔（kǒng）時（shí）, 盡可（kě）能不選水基切削液, 在高溫（wēn）下切削刃上形成氣泡（pào）, 易產生（shēng）積屑瘤, 最好用N32 機械油加煤油, 配比是3: 115, 也可用硫化切削液。

     5 鈦合金鑽削的新（xīn）發（fā）展

     對於鈦合（hé）金的加工（gōng）除了（le）傳（chuán）統的切削方式, 近年來還陸續發展起（qǐ）來了一係列的新加工（gōng）方法（fǎ）和加工（gōng）工藝, 這些新工藝、新方法不僅僅應用於車削、銑（xǐ）削, 同樣也大量應用（yòng）於鑽削加工, 具體如下:

     ( 1) 低溫切削: 用（yòng）液氮( - 180 e ) 或低溫（wēn）液體( -76 e ) 作為切削冷卻液, 將加工環境控製在低溫條件下進行切削加工, 可（kě）以（yǐ）有效（xiào）地防止由（yóu）於切削溫度過高引起的刀具過度（dù）磨損等後果。

     ( 2) 真空（kōng）切削: 在真空中加工鈦合金可杜絕空氣中的雜質與（yǔ）鈦發（fā）生反應。降低（dī）刀具壽命。

     ( 3) 惰性氣體（tǐ）保護切削: 在（zài）被加工表麵創造惰性氣（qì）體環境, 有（yǒu）效隔絕空氣中的（de）雜質, 與（yǔ）真（zhēn）空切削相比工藝性（xìng）更好, 實現更（gèng）容易。

     ( 4) 靜（jìng）電冷幹式切削: 是通過靜電場裝（zhuāng）置將壓縮空氣離子化, 由於在還原時需要急劇的吸收熱量。將這樣一種方（fāng）法用到鈦合金的切削中, 將電離的空氣離子經（jīng）由噴嘴送至切削區, 並在切削區獲取（qǔ）足夠的熱量, 同時使得切削區的溫度迅速下降（jiàng）。靜電冷卻幹式切削（xuē）不僅有效（xiào）降低切削區溫度（dù）, 更重要的是能在刀具與（yǔ）切屑和刀具與（yǔ）工件接觸（chù）麵上形成（chéng）起潤滑作用的氧化（huà）薄膜, 增加刀具的使（shǐ）用壽命。靜電冷卻裝置組成: 電源裝置、靜電場裝置、壓力空氣裝置、電離空氣的輸送係統、各部分的連接件、夾具安裝（zhuāng）框架、噴嘴等。

     ( 5) 超（chāo）聲波振動鑽（zuàn）削加工。強化是指（zhǐ）鈦合金在（zài）切削過程中用刀刃在工（gōng）件上（shàng）用小振幅超聲波振（zhèn）動激勵（lì）進行切削的。超聲波振動切削可以: 減少（shǎo）變形區的大小和（hé）切削力; 消除刀瘤; 改變刀具工作麵（miàn）上摩擦特（tè）性; 並且由於超聲波振（zhèn）動阻尼的有效性, 提高了切削過（guò）程的動態穩定性（xìng）; 由於超聲波的毛細效應, 改善了工作區冷卻潤滑液的（de）進入（rù）條件, 但超聲波引起的交（jiāo）變（biàn）載荷卻降（jiàng）低了刀具的壽命。

     此外, 還有激光切削、電解切削( 電化（huà）學切削) 、電（diàn）磁切削、加熱切削、磨料液噴射切削、特殊熱處理降低硬度切削等一係列的新加工方法。隨（suí）著新加工手段和新加工工藝的發（fā）展, 鈦合金的加工方式不斷改進, 必將促進（jìn）鈦合金在（zài）社會（huì）各領域的廣泛（fàn）發（fā）展。