新型高強(qiáng)度TB18鈦合金切削刀具技術(shù)研究

1 、引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能和低溫性能好及熱強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天工業(yè)中廣泛使用的材料 ［1］。 國內(nèi)航空、航天及軍工等行業(yè)已經(jīng)開展了對鈦合金材料高速銑削的研究和應(yīng)用，加工零件以結(jié)構(gòu)件 為主，主要解決加工效率和刀具耐用度的問題［2］。

TB18鈦合金是西部超導(dǎo)公司與國內(nèi)高校、科研院所合作開發(fā)的一種新型近β鈦合金，其名義成分為 Ti?5Al?5Mo?5V?6Cr?1Nb?0.5Fe，經(jīng)熱處理后該合金的斷裂韌性與傳統(tǒng)高強(qiáng)度合金保持同一水平，但靜強(qiáng)度更高 ，同時(shí)具有良好的淬透性［3］。 該材料的特點(diǎn)是高強(qiáng)度（1300MPa）、高黏性和高韌性，比常用的TC4、 TC18、TC21 材料的可加工性更差。 由于目前國內(nèi)外缺少對該材料的加工刀具和切削技術(shù)的針對性研究，市 場上暫無合適的加工 TB18鈦合金高效切削刀具，嚴(yán)重制約TB18材料的加工效率。

本文從 TB18鈦合金的銑削和鉆削兩類典型刀具出發(fā)，開展刀具的結(jié)構(gòu)選型和切削參數(shù)試驗(yàn)研究，改進(jìn) 刀具結(jié)構(gòu)，制定粗、精加工最優(yōu)刀具選用方案，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到提升 TB18鈦合金加工效率、提高刀 具使用壽命的目標(biāo)。 該研究為 TB18新型鈦合金材料的切削加工提供了一定的參考。

2、 TB18 材料切削加工問題分析

由于新型超高強(qiáng)度鈦合金材料 TB18的化學(xué)成分中金屬元素Mo，Cr，V以及稀有元素Nb的存在，使 TB18 鈦合金材料相對于常用TC4，TC18，TC21鈦合金的可加工性能極差，尤其在熱處理后材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到σ_ｂ ＝ 1315MPa 時(shí)。 對 TB18鈦合金材料（熱處理后） 的切削性能開展研究，根據(jù)粗、精加工選取不同類型的 通用鈦合金刀具進(jìn)行試驗(yàn)，刀具的切削參數(shù)及刀具使用壽命見表 1。

與常用的TC4、TC18、TC21 材料切削過 程對比，銑削、鉆削 TB18材料時(shí)主要面臨的問題有：

①銑削加工刀具（可轉(zhuǎn)位刀片式快進(jìn)給、整硬合金銑刀等通用機(jī)械加工刀具）磨損快，易崩裂，刀具壽 命極低。 同等切削條件下與加工常用鈦合金的刀具壽命相比，粗加工快進(jìn)給銑刀片壽命縮短了50％~80％ ，精加工整硬合金銑刀壽命縮短 67％～83％ 。 經(jīng)分析，刀具失效方式為月牙洼、積屑瘤導(dǎo)致的快速燒蝕 和崩刃（見圖 1）。

②鉆削加工時(shí)材料難以斷屑（見圖 2），刀具刃口切屑黏結(jié)且容易崩刃，U鉆（ ?20mm） 加工孔深９0mm 的內(nèi)孔需要更換三次刀片才能完成，刀片壽命短，使用過程需頻繁更換，加工效率極低。

③銑削加工效率更低。 粗加工快進(jìn)給銑刀切削線速度為 20~30m/min，為常用鈦合金加工刀具的30％ ，進(jìn)給速度 150~400mm/min，為常用鈦合金加工刀具的 25％~30％ ，加工效率大幅降低，精加工整硬合金 銑刀的加工工藝參數(shù)也遠(yuǎn)低于常規(guī)鈦合金刀具。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致加工 TB18材料的各類刀具失效的主要形式為刀具快速磨損和燒蝕。 經(jīng)初步分析， 與通用鈦合金相比，TB18材料具有更高的黏性，極易產(chǎn)生切削熱，且由于加工過程未得到充分冷卻，加劇了 刀具的黏結(jié)和燒蝕，造成刀具失效。

3、 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

為了提高 TB18材料的加工效率與刀具壽命，針對不同的加工工況開展刀具選型試驗(yàn)，以提高加工效率 和刀具壽命為目標(biāo)，優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，并通過試驗(yàn)確定加工工藝參數(shù)。

3.1.1 銑削工序粗加工

在使用大直徑φ80mm、主偏角 12°的快進(jìn)給銑刀進(jìn)行粗加工時(shí)，做出以下改進(jìn)：①為提高刀片壽命， 降低切削刃與工件的接觸面積，將原有快進(jìn)給刀具7°的主偏角增加為9°；②為解決材料高黏、刀具易燒蝕 問題，優(yōu)選牌號(hào) 2000Ti新型切削液，減小銑削過程中的切削熱；③為避免切削抗力大造成毛料振動(dòng)過高、 刀片崩碎情況的發(fā)生，調(diào)整刀具軸向前角為11°，徑向前角為6.5°，保證切削過程穩(wěn)定。

3.1.2 銑削工序精加工

以原先試驗(yàn)使用的φ25mm硬質(zhì)合金立銑刀為例，由于TB18鈦合金的高強(qiáng)、高黏特性，試驗(yàn)過程中極易產(chǎn) 生刀具振動(dòng)以及大量切削熱，為避免刀具失效，提高精加工效率，本文對傳統(tǒng)刀具進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了密 齒前波刃整體硬質(zhì)合金銑刀（見圖 3）。

具體改進(jìn)為：①通過公式 F＝fz×N×Z可以看出，在進(jìn)給速度不變的情況下，增加齒數(shù)可以減小每齒進(jìn) 給量，延長刀具壽命，因此將齒數(shù)從 4 齒更改為 6齒；②為了增強(qiáng)斷屑能力，將前刀面變?yōu)榍安ㄈ械毒呓Y(jié) 構(gòu)；③選擇Co含量為 10％ 的整體硬質(zhì)合金材料，以平衡刀具的韌性和耐磨性；④選用AlTiN基多層涂層增 加刀具的耐磨性；⑤設(shè)計(jì)多孔內(nèi)冷結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)冷卻效果，減小切削熱。

3.1.3 鉆削加工

由于 TB18鉆孔時(shí)高黏、高強(qiáng)鈦屑不易排出，冷卻無法及時(shí)到達(dá)切削部位，刀尖易燒傷崩齒，甚至刀體 斷裂。 根據(jù)上述加工特點(diǎn)，以直徑 20mm為區(qū)分，擬進(jìn)行如下技術(shù)選型和設(shè)計(jì)優(yōu)化。

對于 Ｄ≤20mm的孔加工：①采用整體硬質(zhì)合金鉆頭（見圖 4），鉆頭采用雙刃帶設(shè)計(jì)，提高刀具的穩(wěn) 定性；②刀體排屑槽螺旋角采用 12°結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)且齒槽拋光處理，減少鈦屑與刀體接觸面，降低摩擦，減小 切削熱；③加大倒錐度為 0.25/100，減小鉆頭與孔壁的摩擦；④加大內(nèi)冷孔，提高冷卻效果和排屑能力； ⑤優(yōu)選 ＡｌＣｒＺｒ 基涂層增加刀具的耐磨性。

對于Ｄ>20mm的孔加工：①采用可轉(zhuǎn)位U鉆，刀片采用復(fù)合涂層，增加刀片耐磨性；②配備12bar以上冷 卻液壓力，提高切削冷卻效果；③孔加工方式選用切削量逐層遞減的切削方式，前1/3孔深處加大每齒進(jìn)給 量，提高加工效率，后2/3采用逐層遞減，提高耐磨性；④周邊刀片和中心刀片采用不同材質(zhì)，所用中心刀 片能夠?qū)崿F(xiàn)逐步進(jìn)刀方式，達(dá)到切削力均勻分布；周邊刀片采用Wiper技術(shù)，以提高孔壁質(zhì)量（見圖 5）。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

采用快進(jìn)給銑刀在 5Ａ3Ｐ 重型切削機(jī)床上進(jìn)行銑削試驗(yàn)，優(yōu)化后的刀具可適應(yīng)更大的每齒進(jìn)給量，對 切削加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，切削效率和刀具壽命均有所提升（見表 2）。 優(yōu)化后刀具的切削線速度可達(dá) 40m/min，刀具的斷屑效果、切削力和振動(dòng)等均得到明顯改善（見表 3）。優(yōu)化后的硬質(zhì)合金鉆頭壽命由原 來的 15min 提升到 60min，孔壁比原先更光滑（見表 4）。 優(yōu)化后的U鉆壽命從 20min/把提升至 50min/ 把，是原先的2.5 倍，孔壁更光滑（見表 5）。

3.3 對比分析

通過試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對比，優(yōu)化后的 TB18鈦合金刀具加工效率及壽命均有所提升。

效率提升：TB18鈦合金粗銑快進(jìn)給銑刀的金屬去除率從 32.6cm3/min提升至 50． 4cm3/min，提升至原 來的 1.5 倍；精銑硬質(zhì)合金立銑刀切削線速度從 26.3m/min 提升至 40.035m/min，提升至原來的1． 5 倍 。

壽命提升：用于 TB18材料粗銑的快進(jìn)給銑刀刀具壽命從 60min/把提升了90min/ 把，提升了1.5倍；硬 質(zhì)合金銑刀的刀具壽命從30min/把提升了83min/把，提升了2.8倍； 硬質(zhì)合金鉆頭壽命從15min提升至60min ， 提升了4倍； U鉆壽命從20min/把提升了50min把，提升了2.5倍。

4、 結(jié)語

通過刀具切削對比試驗(yàn)對新型鈦合金 TB18的切削性能進(jìn)行研究，分析刀具的主要失效形式，優(yōu)化改進(jìn) 刀具結(jié)構(gòu)并合理選取切削參數(shù)，得出以下主要結(jié)論。

（1）與通用鈦合金的切削加工相比，TB18材料具有更高的黏性，極易產(chǎn)生切削熱，刀具失效的主要形 式為刀具快速磨損和燒蝕。

（2）對典型鉆削、銑削刀具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的刀具可有效降低切削過程中摩擦熱 的產(chǎn)生，刀具壽命提升明顯。

（3）為提高生產(chǎn)效率、降低加工成本，本文對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。 試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的切削參數(shù) 可以使加工效率得到有效提升，驗(yàn)證了切削參數(shù)優(yōu)化方案的可行性，為今后 TB18材料的加工提供一定的參 考。

參考文獻(xiàn)

［1］劉瑩瑩，陳子勇，金頭男，等． 600℃ 高溫鈦合金發(fā)展現(xiàn)狀與展望［Ｊ］． 材料導(dǎo)報(bào)，2018， 32（11）：1863 － 1883．

［2］付秀麗，艾興，張松，等． 航空整體結(jié)構(gòu)件的高速切削加工［Ｊ］． 工具技術(shù)，2006，40（3） ：80 － 83．

［3］李少強(qiáng)，弓站朋，李輝，等． TB18鈦合金熱變形行為及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制［Ｊ］． 稀有金屬材料 與工程，2020，4９（９）：3045 － 3051．

第一作者：姜怡君，工程師，中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，７1008９ 西安市

Ｆｉｒｓｔ Ａｕｔｈｏｒ：Ｊｉａｎｇ Ｙｉｊｕｎ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，ＡＶＩＣ Ｘｉ′ａｎ Ａｉ ｒｃｒａｆｔ Ｉｎ?ｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ ＣｏMPaｎｙ Ｌｔｄ． ，Ｘｉ′ａｎ ７1008９，Ｃｈｉｎ ａ