鈦合金具有的特殊性能使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。很高的強度/重量比、極好的韌性和卓越的抗腐蝕性能使鈦合金可用于制作醫(yī)用人體植入件、高爾夫球桿頭以及軍用裝甲等。
    但是，鈦合金零件的車削加工卻非常困難，令機械工藝師們望而生畏，他們認為，鈦合金的超級性能大大削弱了其可加工的“能力”,使其切削加工極具挑戰(zhàn)性。
    這種看法雖有道理，但并不全面。本文探討了鈦合金的車削加工策略，對機械工藝師們加工這種用途廣泛（如賽車零件、水下呼吸裝置等）的難加工材料以及應(yīng)用新的切削技術(shù)將有所幫助。
    鈦合金生產(chǎn)商--RTI國際金屬公司的高級項目專家BillHeadland指出，雖然許多加工車間將鈦合金加工視為畏途，但實際上鈦合金包括的品種范圍很廣，你必須了解你所加工的是哪一種。鈦合金的牌號很多，有些牌號加工難度極大，而另一些牌號卻并非如此。商用純鈦（CP牌號）是一種非合金材料，通常用于制造醫(yī)用零件、熱交換器和眼鏡框架等。CP牌號具有卓越的抗腐蝕性，且相對而言較易加工。但與其它鈦合金相比，其強度很低，且又粘又軟。
    在純鈦中加入合金后，改變了其晶相（晶體結(jié)構(gòu)），也改變了材料的特性和機械加工性。α鈦合金和準α鈦合金中包含了如鎳、鋁、釩等添加成份。這些中間牌號鈦合金的可切削性相當不錯。α-β鈦合金牌號可能包含有更多的鋁和釩。工業(yè)用主流鈦合金Ti6Al4V就是一種α-β鈦合金牌號，其中包含了約6%的鋁和4%的釩。Ti6Al4V及其變種大約占到目前所用鈦合金的50%-70%.
    添加了鐵、鉻等成分的β牌號鈦合金是最難以加工的牌號之一。由于具有高的斷裂韌性和優(yōu)異的抗高周期疲勞性能，β牌號的機械加工性與Hastelloy鎳基合金及類似材料相近，其典型的應(yīng)用實例是制造輕型彈簧，用于觸發(fā)水下發(fā)射戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的可折疊尾翼。
    各種鈦合金呈現(xiàn)出各不相同的切削性能。有人認為，加工一個Ti6Al4V工件所需的時間通常是加工一個鋼件的三倍；而有人說，加工一個Ti5553難加工β牌號工件所需的時間則是加工一個Ti6Al4V工件的兩倍。
    在車削加工中，鈦合金最重要的特性就是熱傳導(dǎo)性差。由于切削時產(chǎn)生的高溫很難被工件吸收而聚集于刀具切削刃上，過多的熱量促使切削刃與切屑之間發(fā)生化學反應(yīng)并產(chǎn)生月牙洼磨損。
    鈦合金還具有加工硬化趨勢，因此，通過剪切而不是擠壓去除金屬至關(guān)重要。此外，雖然鈦合金具有很高的強度，但同時也具有較低的彈性模量，這就意味著與其它材料相比，鈦合金相對更具彈性且更容易離開切削刃（尤其在輕載切削時）。綜合考慮鈦合金的這些特性，為了成功實現(xiàn)鈦合金的車削加工，關(guān)鍵是必須實現(xiàn)切削速度、進給率和切削深度的平衡。
    切削速度是影響切削熱產(chǎn)生的首要因素。山特維克可樂滿的車削專家StefanGyllengahm曾經(jīng)花了三年半時間為工具制造商開發(fā)刀具牌號。在此期間，他在實驗室進行了Ti6Al4V的切削試驗，結(jié)果表明，切削速度的選擇必須十分小心：在某些情況下，當切削速度提高10%-15%,則刀具壽命會從40件下降為6件，這表明切削速度的調(diào)整幅度過大。他還發(fā)現(xiàn)，當以不會縮短刀具壽命的切削速度進行車削時，如果提高進給率，則會達到一個有損刀具壽命的臨界溫度，因為存在一個熱量過多的極限范圍。
    刀具幾何形狀在控制切屑形態(tài)以散熱方面起著關(guān)鍵作用。較寬和較薄的切屑擴大了正在形成的切屑與切削刃之間的接觸面積，從而可減少熱量在切削刃的聚集。如果切屑較薄，產(chǎn)生的熱量較少，切削速度就可以更快一些。
    例如，使用具有-5°標準導(dǎo)程角的C型（80°）金剛石刀片進行粗加工時，切屑厚度與進給率大致相等；而采用安裝導(dǎo)程角為45°的正方形刀片則可以使被切除的金屬（以及切削熱）沿著較長的切削刃擴散。圓刀片在理論上將這一概念發(fā)揮到了極致（但僅限于切深較小時）。Gyllengahm表示，通常在切深較小時，采用圓刀片可獲得很薄的切屑。但是，考慮到具有12.7mm內(nèi)切圓的圓刀片在切深大于2mm時其有效導(dǎo)程角會減小，因此最好使用方刀片，因為在相同的切深下，方刀片仍然具有45°導(dǎo)程角。
    Bill Skoretz是Patriot Forge公司加工分部的經(jīng)理，該公司提供從低合金鋼、不銹鋼到特殊牌號鋁合金、鈦合金等各類原材料，有時也會為公司的客戶加工鈦合金零件。當討論車削鈦合金所面臨的挑戰(zhàn)時，他重點回顧了車削軋鋼機用冷卻液噴頭的經(jīng)歷。這種耐腐蝕的鈦合金牌號具有磨蝕性。由于鈦合金具有回彈性，因此必須采用正的刀具幾何角度，而且要重視刀具頭部的形狀。如果刀具的底角或前角過小，刀具就會開始產(chǎn)生拉力，從而帶來很多問題。因此，必須在刀具頭部正的幾何角度與對切削刃的支撐之間找到最佳平衡。
    Skoretz從歷史的角度描述了切削刀具的發(fā)展現(xiàn)狀。在開發(fā)出硬質(zhì)合金刀具之前，主要采用高速鋼刀具來切削鋼材。硬質(zhì)合金刀具的出現(xiàn)使采用正的幾何角度成為可能，但機床必須具有足夠的功率。負前角刀片只能使鈦合金材料發(fā)生折疊或擠壓，而難以將其切除。但他又警告說，如果刀片的正前角過大，也會對鈦合金材料形成拉力。因此，必須在壓應(yīng)力與拉應(yīng)力之間找到平衡。他提到過去曾使用過在切削刃上制備有0.1mm或0.13mm的T型刃帶的刀片，“主要為了刀刃的安全，不能采用太鋒利的切削刃，因為它維持不了多久。”他在加工中還采用了油基切削液，但主要是利用其潤滑特性而不是冷卻能力。
    其他加工車間也有不同的鈦合金車削方法，因為任何材料的去除加工都存在各種不同的解決方案。
    Rayco Machine公司有30%的業(yè)務(wù)是加工賽車零件，其中有許多是價格昂貴的鈦合金零件，因為頂級賽車隊愿意為重量輕、強度高的零件支出額外費用，以使他們的賽車保持在規(guī)則允許的最小重量但同時仍能對其整個車身重量的分布保持控制。例如，減小旋轉(zhuǎn)部分和非懸掛部分（如車輪和剎車部件）的質(zhì)量可以有效提高加速度和操控性能。Rayco公司車削加工的鈦合金零件中包括運行于制動鉗與轉(zhuǎn)子之間的零件。
    與Skoretz一樣，Rayco公司總裁Greg Cox也表示，為了成功地車削鈦合金，需要采用均衡兼顧的方法。他認為，選擇切削參數(shù)時，很重要的一點就是加工時不能推擠工件材料，否則容易產(chǎn)生加工硬化，給加工造成很大麻煩。Rayco公司通常采用的加工參數(shù)為：切削速度120sfm,進給量0.13-0.20mm.
    切削深度也很重要。同樣，適度的切深是最佳選擇。Rayco公司采用的最大切深為0.8-1mm.Rayco公司的鈦合金零件加工批量可高達200件，但大多是在5-20件之間。Cox表示，Rayco公司也在持續(xù)改進工藝，但涉及到切削參數(shù)時必須小心謹慎，因為鈦合金相當昂貴，不能蠻干以免導(dǎo)致零件報廢。鈦合金的價格上漲很快，去年從47美元/磅上升到了68美元/磅。鈦合金高企的價格也使工件材料的庫存緊縮。
    潛水裝備制造商Atomic Aquatics公司的研發(fā)和制造分公司總經(jīng)理Scott Holland表示，用鈦合金加工水下呼吸器時，“我們總是試圖不斷提高加工效率，以縮短加工時間、加工更多工件和延長刀具壽命。”但當他們嘗試加工更多零件時，隨之而來的是刀具突然折斷。因此，Holland希望能達到一個最佳均衡點，但這種均衡并非只是數(shù)字與程序。Holland有近十年的鈦合金加工經(jīng)驗，他也依賴觀察工件和刀具的形態(tài)、傾聽切削噪聲來掌握這種均衡。Holland表示，加工鈦合金也可以比較簡單，“如果使用鋒利的刀具并按自己估計的時間換刀，則只能在有限范圍內(nèi)加工鈦合金。你可以按自己的方式進行嘗試，但并不一定奏效。鈦合金的加工有一定的規(guī)律，如果你掌握了這些規(guī)律，就可以得心應(yīng)手。”
    鈦合金日益廣泛的應(yīng)用推動了以高效車削鈦合金為重點的切削技術(shù)發(fā)展。山特維克可樂滿公司加工管理與技術(shù)支持高級經(jīng)理Chris Mills強調(diào)，車削鈦合金時，化學磨損是主要的刀具失效機理，而切削高溫加速了化學磨損。
   當滾燙的切屑劃過刀具前刀面時，實際上會從刀片中“拔出”鈷。Mills介紹了通過兩個步驟來降低切削溫度的方法：第一步是利用刀具幾何設(shè)計（如采用帶45°導(dǎo)程角的方刀片或圓刀片）來減薄切屑厚度，以降低切削溫度，減少由此引起的月牙洼磨損，最終能夠使用較高進給率和延長刀具壽命；第二步是使用具有特殊形態(tài)的高壓冷卻液。這種冷卻液不僅具有高壓力，而且呈現(xiàn)出非常精確的層流噴射形態(tài)，可以在切屑與刀片前刀面之間形成“水楔”,以托起切屑，使其與前刀面的接觸最小化，從而避免產(chǎn)生月牙洼磨損。
    山特維克的這種Jetbreak冷卻系統(tǒng)的壓力為1000-3000psi,采用直徑1.27mm的噴嘴和標準乳化冷卻液，它不僅具有冷卻作用，而且能產(chǎn)生托起切屑的升力，可降低切屑與前刀面之間的摩擦和溫度。使用該系統(tǒng)可使切削速度提高50%.
    Mills描述了綜合采用上述兩種降溫策略的效果：采用-5°導(dǎo)程角的CNMG刀片以優(yōu)化的切削參數(shù)（切削速度：40m/min,進給率：0.3mm/rev）加工鈦合金時，刀具壽命約為20分鐘；而采用圓刀片或45°導(dǎo)程角的方刀片進行加工時，可將切削速度提高到50-60m/min,進給率提高到0.4mm/rev,并可保持類似的刀具壽命。由于在相同時間里可以切除更多的工件材料，僅僅采用方刀片就可使生產(chǎn)率翻番，如果再采用高壓冷卻系統(tǒng)，還可將切削速度再提高50%。
    高壓冷卻液必須通過機床主軸內(nèi)部的通道（而不是外部管道）輸送。冷卻液流經(jīng)山特維克Capto快換工具夾頭上的一個專用連接器，由Capto控制其壓力。在安裝機床時，可以很容易地安裝這種高壓冷卻系統(tǒng)。
    對于經(jīng)常加工鈦合金零件（特別是昂貴的大型航空零部件）的車間，提高50%的生產(chǎn)率值得他們投資購買專用刀具夾頭和安裝了高壓冷卻系統(tǒng)的機床。這種高壓冷卻系統(tǒng)在車削鈦合金時具有獨特優(yōu)勢，因為不會像加工其它工件材料那樣產(chǎn)生月牙洼磨損.