1 引言

     1791 年英國人William Gregor 第一（yī）次發現了鈦元（yuán）素, 但是由於純金（jīn）屬（shǔ）鈦很難製備, 直到1932 年盧森堡化學家Wilhelm Justin Kroll 才用TiCl4 和Ca 製（zhì）取出大量的鈦。直（zhí）至今日, 該方（fāng）法仍然是應用最廣泛的工藝, 被稱（chēng）為/ Kroll 工藝0。第二次世界大戰後鈦基合金很快（kuài）發展成為航空發動機的（de）關鍵（jiàn）材料。今天, 航（háng）空航天工業仍然是（shì）鈦及鈦合金的主要應用（yòng）領域, 在其他領域（yù）如建築、化工、醫藥（yào）、能源、海洋和近海（hǎi）、體育休閑（xián）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（hé）金的分類及性能

     工業純鈦在882 e 發（fā）生（shēng）同素異構（gòu）轉變, 常溫下純鈦和大多數鈦合金一樣（yàng）都結晶成近似理想狀態下的密排六（liù）方（fāng）結構的（de）A- Ti; 高溫下為體心立方結構的（de）B- Ti。表1 列出（chū）了高（gāo）純多晶A- Ti 的部分重要物理性能。

     與純鈦相類似, 根據鈦合金的晶格結構, 通常將鈦合金分為A型、A+ B 型和B 型合金三大類（lèi）。在數量眾多的鈦合金之（zhī）中, 美（měi）國的Illinois 技術研究所（suǒ）20世紀50 年代初開發的Ti- 6Al- 4V 合（hé）金的應用最為廣泛（fàn）, 占使用總量（liàng）的50% 以上。按（àn）相分它屬於A+ B型鈦合金, 是在A型鈦合金( 由A相穩定化（huà）元素Al 的作用而產（chǎn）生) 中加入少量（liàng）的（de）B 穩定化元素( V)得到（dào）的。其力（lì）學性能如表2 所示。

     3 鈦合金的切（qiē）削加工性

     鈦合金是一種典型的難加（jiā）工材料, 其比（bǐ）強度高、導熱性差（chà）、加工硬化嚴重; 由於（yú）其化學活性大, 在一定溫度下與周圍介質容易發生化學反應（yīng）, 產生脆而（ér）硬的（de）外皮, 加工（gōng）時塑性和衝擊韌性劇烈下降, 刀具磨（mó）損和破損嚴重、耐用度低, 加工（gōng）精（jīng）度（dù）和表麵質量難以（yǐ）保證, 加工（gōng）效率很（hěn）低。

     鈦合金的諸（zhū）多性能中導熱（rè）係（xì）數、彈性模量、加工硬化、化學活性及合（hé）金類型和顯微組織等起到了（le）主要作用, 所以鈦合金的切削（xuē）加工存在著以下一些限製:

     (1) 鈦（tài）合金的導熱率低, 約為鐵的1/ 3, 阻礙了機加工過程中所產生熱量的散發, 且其比熱低, 使得（dé）切削（xuē）區溫升過快, 在600 e 以上時表麵形成氧化硬層從而加速刀具的（de）磨損;

     ( 2) 鈦（tài）合（hé）金的彈性模量（liàng）低, 使已加工表麵容易產生極大的回彈, 特別是薄壁零件的加工回彈更為（wéi）嚴重, 易引起（qǐ）後刀麵（miàn）與已加（jiā）工表麵產生強烈摩擦, 從而（ér）磨損刀具和崩刃。而（ér）且在回彈力的作用下（xià）會引起零件在機加工過（guò）程中偏離刀具。

     (3) 鈦合金的硬度較低、化學活性很強（qiáng）, 導致鈦與刀具之間的產生咬合。且高溫下鈦極易與氧、氫、氮發生作用, 使其硬度增加, 塑性下降, 在加熱和鍛造過程中形（xíng）成的富氧層的機械加（jiā）工困難。所以, 要成功地切削加工鈦合金零件應遵循（xún）以下通用準則:

     ( 1) 工件盡可（kě）能短, 並安裝在夾具中以（yǐ）免出現振（zhèn）動;

     ( 2) 適當增大後角, 減（jiǎn）小前（qián）角以增大切屑與前刀麵的接觸（chù）長度, 減小工件與後刀麵的摩擦。定時（shí）刃磨刀具保持刀具的鋒利, 防止刀具出現磨（mó）鈍後的迅速破壞;

     ( 3) 采用剛性的加工設備和夾具;

     (4) 切削過程采用水溶性油以及氣相亞硝胺（àn）型防鏽液充分、及時冷卻（què）, 不僅可以（yǐ）迅速散（sàn）熱, 而且能預防由（yóu）於鈦粉、切屑或碎片而引發（fā）的火災;

     ( 5) 采用低的切削速（sù）度（dù）和高的進給量; 切削過程中不（bú）能停止進刀, 因為此時刀具與工件產生摩擦將促進刀具的（de）汙染和粘接, 加速刀具的磨損（sǔn）;

     (6) 機加工前應采用噴砂處理或在含2% 硝酸的溶液中酸洗去除硬的表麵氧化皮;不同（tóng）的加（jiā）工（gōng）方式因其的切削特點和條件不同,在切削加工過程（chéng）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的普通原則（zé）。

     4 鈦合金的切削加工

     ( 1) 鈦合金的車削加工

     鈦（tài）合金的機加工工藝中, 由於車削加工的切（qiē）削環境容（róng）易控製所以易獲得較好（hǎo）的表麵粗糙度, 加工硬化相對不嚴重, 但切削溫度高, 刀具磨損快。在粗加工時, 需要刀具剛性好, 刀具前（qián）角、後角小。在精加工時, 為（wéi）得到良好的表麵完（wán）整性和尺寸精度, 要求刀具鋒利, 所（suǒ）以前角、後角、螺旋角要偏大些, 並要求刀刃不（bú）帶有倒棱或負倒棱（léng）最小。

     由於鈦的化學（xué）活性大, 易產生表麵變質汙染層,導致表層硬度和脆性上升, 易（yì）使刀具產（chǎn）生缺口、崩刃、剝落等現象, 因此增加刃磨次數、延長停機時（shí）間和機床調整時間, 降低生產率; 另外, 鈦的粘刀現象嚴重, 易產生積屑瘤, 將（jiāng）引起（qǐ）工件尺寸變化, 影響過盈配合的裝配質量, 嚴重時會導致零件報（bào）廢。

     ( 2) 鈦合金的鑽削加工

     相對於車（chē）削過程, 鑽削（xuē）過程（chéng）是在半封閉狀（zhuàng）態下完成的, 其摩（mó）擦大（dà）、切削溫度高、排屑難、鑽頭剛度低, 它的鑽削比車（chē）削更困難。所以, 鑽削加工鈦（tài）合金時應重點考（kǎo）慮（lǜ）: 鑽頭材料、鑽頭幾（jǐ）何參（cān）數、鑽削用量及冷卻液等, 避免在加工過程中極易出現的燒刀、崩刃、加工硬（yìng）化（huà）、磨（mó）損過快等（děng）問題。

     在鑽削鈦合金時（shí）容（róng）易生成長而薄的卷曲切屑,同時鑽（zuàn）削熱量大, 容（róng）易使切屑過分堆積或粘附在鑽削刃上, 這是造成鑽削（xuē）鈦合金困難的主要原因（yīn）。因此, 鑽孔要采用短而鋒利的（de）鑽頭和低速強（qiáng）製進（jìn）給, 支撐支架（jià）要（yào）緊固, 並要（yào）給（gěi）以重複充（chōng）分冷卻, 尤其是深孔鑽削。

     此（cǐ）外鑽削過（guò）程中鑽（zuàn）頭在孔內應保持鑽（zuàn）削狀（zhuàng）態而不允許在鑽孔內（nèi）空轉, 並應保（bǎo）持（chí）低而恒速的鑽（zuàn）削（xuē）速度。鑽通孔要仔細, 當快要鑽通（tōng）時, 為（wéi）了清理鑽頭和鑽孔, 及去除鑽屑, 最好（hǎo）退回鑽頭, 最終破孔時采（cǎi）用強製進給（gěi）, 這樣可以（yǐ）獲得質（zhì）量較高的孔。因此, 鈦合金鑽削加（jiā）工主要從以下幾個方麵（miàn）考慮:

     ( 1) 鑽頭材料

     根據鈦合金加工特性, 要求鑽頭材料必須具有（yǒu）以下特點:

     ( a) 足夠的硬度。鑽頭的（de）硬度必須大於鈦合金的硬度。

     ( b) 足夠的強度和韌性。由於鑽頭在（zài）加工鈦合金時承受很大的扭轉力和軸向力, 因此, 必須（xū）有足夠（gòu）的強（qiáng）度和韌性（xìng）。

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

     ( d) 刀（dāo）具材料與鈦合金親合能力要差。由於鈦合金化學活性高, 因此要求刀具材料和鈦合金親合（hé）能力要差, 以免（miǎn）形成（chéng）擴散而造成粘（zhān）刀、斷鑽等現象。因（yīn）此, 加工鈦合金的鑽頭既要有較高的（de）硬度又要有很好的韌性、耐磨性, 而且刀（dāo）具材料與鈦合金親和能力（lì）要（yào）差。

     ( 2) 鑽頭（tóu）幾何參數（shù）分析

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

     ( a) 鑽頭頂角小, 切削刃長, 切下的切屑寬, 因而鑽頭扭矩大, 軸向抗力（lì）也大。同時, 切屑卷曲成螺旋狀程度大, 切屑所占的空間（jiān）也大, 排屑不順暢, 影響冷卻。

     鑽頭頂角決定切屑寬（kuān）度和鑽頭前角的大小。當鑽頭（tóu）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（dāo）尖角減小, 減小（xiǎo）了刀尖角的磨損速（sù）度, 同時有利於散（sàn）熱, 耐用度也得到提高。頂角對前角有（yǒu）很（hěn）大影響, 相應（yīng）增大頂角有利於改善鑽心處的切削條件。頂角影響切屑流出的方向。頂角較大, 切屑卷曲成螺旋的程度減小, 且比較（jiào）平直, 容易排除, 即提高了排屑性能。通（tōng）過分析試驗（yàn）, 加工鈦合金時, 采取增大鑽頭（tóu）頂角的方法, 一般頂角的取值範（fàn）圍是135b~ 140b時（shí）鑽削效果（guǒ）較好。

     (b) 鑽頭鑽心厚度小。由於（yú）鑽削加工鈦合金時鑽頭承受很大（dà）扭矩和軸向抗力。鑽心厚度小, 則鑽頭強度低, 特別是小直徑鑽頭, 鑽頭易發生折斷, 需增大鑽心厚度以提高鑽（zuàn）頭（tóu）強度（dù）。所以要適當增加鑽心厚度。鑽心厚度（dù）一般為K= ( 0. 45~ 0. 32) D式中, K 為鑽心厚度, D 為（wéi）鑽頭直徑。

     ( c) 鑽頭螺旋角小。螺旋角（jiǎo）直接影響主切削刃的前角。螺（luó）旋角越大, 則刃口越鋒（fēng）利, 切削越輕快,否則（zé）會造成嚴重的加工硬化現象使得刀刃很快（kuài）磨損。由（yóu）麻花鑽的外形特點可知（zhī）切削刃上各點螺旋角是（shì）變化的（de）。越靠近外圓處螺旋（xuán）角越大, 前角也越大,切削刃越鋒利, 切削性能越好。而靠近鑽（zuàn）心處螺旋（xuán）角最小, 切削性能最差, 可以將此處磨（mó）成（chéng）球圓弧狀,以改善切削條件（jiàn）。

     隨螺旋角增加, 切削刃強度減弱, 磨損快, 甚至會發生切削刃燒毀等（děng）現象。因此合理選（xuǎn）擇螺旋角,以適合鈦（tài）合金鑽削加工（gōng）成為關鍵問題。

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

     ( e) 選取適當的進給量。在鈦合金的鑽削過程中, 應采用較低的切削速度, 以免切（qiē）削溫度過高; 進（jìn）給量應適中, 進給量過大易引起（qǐ）刀刃燒傷。根據實踐經驗, 通（tōng）常取進給量為f = 0. 05mm/ r~ 0. 15mm/ r,切（qiē）削速度v= 10~ 30m/ min。

     ( 3) 選用有（yǒu）效的冷卻係統和合適的（de）冷卻液。鑽削加（jiā）工（gōng）鈦合金時最（zuì）好不用含氯的（de）冷卻液, 以避免（miǎn）產生有毒物質和（hé）引（yǐn）起材料（liào）的氫脆。鑽削（xuē）淺孔時, 可用電解切削液, 其（qí）成分是: 葵二酸7~ 10% , 三乙醇（chún）胺7~ 10% , 甘油7~ 10% , 硼酸7~ 10%, 亞硝酸鈉3~ 5%, 剩（shèng）餘為（wéi）水。

     鑽削深孔時, 盡可能（néng）不（bú）選水（shuǐ）基切削液, 在（zài）高溫下切削刃上形成氣泡, 易產生積（jī）屑（xiè）瘤（liú）, 最好用N32 機械油加煤油, 配比是3: 115, 也可用硫化切（qiē）削液（yè）。

     5 鈦合金鑽削的新發展

     對於鈦（tài）合金（jīn）的加工除（chú）了傳統的（de）切（qiē）削方式（shì）, 近年來還陸續發展起來了一係列的新加工方法和（hé）加工工藝, 這些（xiē）新（xīn）工藝、新方法不僅僅應用於車削、銑削（xuē）, 同樣也大量應用於鑽削加工, 具（jù）體如下:

     ( 1) 低溫切削: 用液氮( - 180 e ) 或低溫液（yè）體( -76 e ) 作為切削冷卻液, 將加工環（huán）境控製在低溫條件下進行切削加工, 可以有效地防止由於切削溫度過（guò）高引（yǐn）起的刀具（jù）過度磨損等後果。

     ( 2) 真空切削: 在真空（kōng）中加工鈦合金可杜絕空氣中的雜質與鈦發生反應。降低刀具壽命。

     ( 3) 惰性氣（qì）體保（bǎo）護切削: 在被加工表麵創造惰性氣體（tǐ）環境, 有效隔絕空氣（qì）中的雜質, 與真空切削相比工藝性更（gèng）好, 實現更容易。

     ( 4) 靜電（diàn）冷幹式切削: 是（shì）通（tōng）過靜電場裝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（jiāng）這樣（yàng）一種方法用到鈦合金的切（qiē）削中, 將電離的空氣離子經由噴嘴送至切（qiē）削區, 並在切削區（qū）獲取足夠的熱量, 同時使得切削區的溫度迅速下降。靜電冷卻幹（gàn）式切削（xuē）不僅有（yǒu）效降低切削區溫（wēn）度, 更重（chóng）要的是能在刀具與切屑和刀具與工件接觸麵上形（xíng）成起潤滑作用的氧化薄膜, 增加刀具的（de）使（shǐ）用壽命。靜電冷卻裝置組成: 電源裝（zhuāng）置、靜電場裝置、壓力空氣裝置、電離空氣的（de）輸送係統、各部分的連接（jiē）件、夾具（jù）安（ān）裝框架、噴嘴等（děng）。

     ( 5) 超聲波振動鑽削（xuē）加工。強化是指鈦合金在切削過程中用刀刃在工件上用小振幅超聲波振動激勵進行切削（xuē）的。超聲波振動切（qiē）削可以: 減少變形區的大小和切削力; 消除刀瘤; 改變刀具工作麵上摩擦特性; 並且由於超聲波振動阻尼的有效性, 提高了切削過程（chéng）的動態穩定性（xìng）; 由於超聲波的毛（máo）細效應, 改善了工作區冷卻潤滑液的進（jìn）入條件, 但超聲波引起的（de）交（jiāo）變載荷卻降低了（le）刀具的壽命。

     此外, 還有激（jī）光切削、電解切削( 電化學切削) 、電磁切削、加熱切（qiē）削、磨料液噴射切削、特殊熱處理（lǐ）降低硬度切削等一係列的新加（jiā）工方法（fǎ）。隨著新（xīn）加工手段和新加工工藝的發展, 鈦合（hé）金的加工方式不斷改（gǎi）進, 必將（jiāng）促進鈦（tài）合金在社會各領域的（de）廣泛發展。