1 引言

     1791 年英國人William Gregor 第一次發現了鈦元素, 但是由（yóu）於純金屬鈦很難製備, 直到1932 年盧森堡化學（xué）家Wilhelm Justin Kroll 才用TiCl4 和Ca 製（zhì）取出大量的鈦。直至今（jīn）日（rì）, 該方法仍然是應用最廣泛的工藝, 被稱為（wéi）/ Kroll 工藝0。第二次世界大戰（zhàn）後鈦基合金很快發展成為航空發動機的關（guān）鍵材料。今天, 航空航天工業仍然是鈦及鈦合金的主要應用領域, 在其他領域如建（jiàn）築、化工、醫藥、能源（yuán）、海洋和近海、體育休閑以及交通運輸（shū）等行業也（yě）得到了越來越廣泛的（de）應用[ 1] 。

     2 鈦合金的分類及性能

     工業純鈦（tài）在882 e 發生同素（sù）異構轉變, 常溫下純（chún）鈦（tài）和大多數鈦合金一樣都結晶（jīng）成近似理想狀態下的密排六方結構的A- Ti; 高溫下為體心立方結構的B- Ti。表1 列出了高（gāo）純多晶A- Ti 的部分（fèn）重要物理性能。

     與（yǔ）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。在數量（liàng）眾（zhòng）多的鈦合金之中, 美國的Illinois 技術研究所20世紀50 年代初開發的Ti- 6Al- 4V 合金（jīn）的應用最（zuì）為廣泛, 占使（shǐ）用總量的（de）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 的作用而產生) 中加入少量的B 穩（wěn）定化元素( V)得到的。其（qí）力（lì）學性能如表2 所示。

     3 鈦合金的切削（xuē）加工性

     鈦合金是一種（zhǒng）典型的（de）難加（jiā）工（gōng）材料, 其比強度高（gāo）、導熱性差、加工硬化嚴重; 由於其化學活性（xìng）大, 在一（yī）定溫（wēn）度下與周圍（wéi）介質容易發生化學反應, 產生脆而硬的外皮, 加工時塑（sù）性和衝擊韌性劇烈下降, 刀具（jù）磨損（sǔn）和破損嚴重（chóng）、耐用度低, 加工精度和表麵（miàn）質量難以（yǐ）保證, 加工效率很低。

     鈦合金的諸多性能（néng）中導熱（rè）係數（shù）、彈性模量、加工硬化（huà）、化學活性及合金類型和顯（xiǎn）微組織（zhī）等起到了主要作用, 所以鈦合金的切削（xuē）加工存在著以下一些限（xiàn）製:

     (1) 鈦合金的導（dǎo）熱率低, 約（yuē）為鐵的1/ 3, 阻礙了機加工過程中所（suǒ）產生熱量的（de）散發（fā）, 且其比熱低, 使得切削區溫升過快, 在600 e 以上時表麵（miàn）形成氧化（huà）硬層從而加（jiā）速刀具的磨損;

     ( 2) 鈦合金的彈性模量低, 使已加工表麵容易產生極大的回彈, 特別是薄（báo）壁零件的加工回彈更為嚴重, 易引起後刀麵與已（yǐ）加工（gōng）表麵產生強烈摩擦, 從而磨損（sǔn）刀具（jù）和崩刃（rèn）。而且（qiě）在回彈力的（de）作用下會（huì）引起零（líng）件在機加工過程中偏離刀具。

     (3) 鈦合金的硬度較低、化學（xué）活性很強, 導致鈦與刀具之（zhī）間的產生（shēng）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（xìng）下（xià）降, 在加熱和鍛造過程中形（xíng）成的富氧層的機械加工困難。所以（yǐ）, 要成功地切削加工（gōng）鈦合金零件應遵循以下通用準則:

     ( 1) 工件盡可能短, 並安裝在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（qiē）屑與前刀（dāo）麵（miàn）的接觸長度, 減小工件與後刀（dāo）麵的摩擦。定時刃磨刀具保持刀具的鋒利, 防止（zhǐ）刀具（jù）出現磨（mó）鈍後的迅速破壞;

     ( 3) 采（cǎi）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（qì）相亞硝胺型防鏽液充分、及時冷卻, 不僅可以迅速散熱, 而且能預防（fáng）由於鈦粉、切屑或碎片（piàn）而引發的火災;

     ( 5) 采用低（dī）的切削速度和高的進給量; 切削過程中（zhōng）不能停止進刀, 因為（wéi）此時刀具與工件產（chǎn）生摩擦將（jiāng）促進刀具的汙染和粘接, 加速刀具的磨（mó）損;

     (6) 機加（jiā）工前應采用噴砂處（chù）理或（huò）在（zài）含2% 硝酸的溶液中酸洗去除硬（yìng）的表（biǎo）麵氧化皮;不同的加工方式因其的切削特點和條件不同,在切削加工過程中必（bì）然會有不同的側重點, 所以以上通用準則（zé）也隻是加工過程中的普通原則。

     4 鈦合（hé）金的（de）切（qiē）削加工

     ( 1) 鈦（tài）合金的車削加工

     鈦合（hé）金的機加工工藝中, 由於車削加工的切削環境（jìng）容易控製所以易獲得較好的表麵粗糙度, 加工（gōng）硬化相對不嚴重, 但切削溫度高, 刀具（jù）磨損快。在粗（cū）加工時, 需要刀具剛性好（hǎo）, 刀具（jù）前角、後角小。在精加（jiā）工時, 為得到良好的表麵完整性和尺寸精度（dù）, 要求刀具鋒利, 所以前角、後角（jiǎo）、螺旋角要偏大些, 並要求刀刃不帶有倒棱或負倒棱最小。

     由於（yú）鈦的化學活性大, 易產生表麵變質汙染層,導致表層硬度和脆性上（shàng）升（shēng）, 易使（shǐ）刀具產生缺口、崩刃（rèn）、剝落等現象, 因此增加刃磨次數、延長停機時間和機床調整時間, 降低生產率; 另外, 鈦的粘刀現象嚴重, 易產生積屑瘤, 將引起工件尺（chǐ）寸變化, 影響過盈配合的裝配質量, 嚴（yán）重時（shí）會導致零件報廢。

     ( 2) 鈦合金的鑽削加（jiā）工

     相對於車削過程, 鑽削過程是在半封閉狀態下完成的（de）, 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。所以, 鑽削加工鈦合金（jīn）時應重點考慮: 鑽頭材料、鑽（zuàn）頭（tóu）幾何參數、鑽削用量及冷卻（què）液等, 避免在加工過程中極易出現的燒刀（dāo）、崩（bēng）刃、加工（gōng）硬化、磨損（sǔn）過快等（děng）問題（tí）。

     在鑽削鈦合（hé）金時容易（yì）生成長而（ér）薄的卷曲切屑,同時鑽削（xuē）熱量大, 容易使切屑過分堆積或粘附在鑽削刃上, 這是造（zào）成鑽削鈦合金困難的主要原因。因此, 鑽孔要采用短而鋒利的鑽頭和低速強製（zhì）進（jìn）給, 支撐支架要緊固, 並要給以重複充分冷卻, 尤（yóu）其是深孔鑽削。

     此外鑽削過（guò）程中鑽頭在孔內應保持鑽削狀態而不允許在鑽孔內空轉, 並應保持低而恒速的鑽削速（sù）度。鑽通孔要仔細, 當快要鑽通時, 為了清理鑽頭和鑽孔, 及去除鑽屑, 最好退回鑽頭, 最終破孔時采用強製進給, 這樣可以獲得質量較高的孔。因此, 鈦合金（jīn）鑽削（xuē）加工主要從以（yǐ）下幾個方麵考慮:

     ( 1) 鑽頭材料

     根據鈦（tài）合金加工特性（xìng）, 要求鑽頭材料必須（xū）具有以下特點:

     ( a) 足夠的硬度。鑽頭的硬度必須大於鈦合金的硬度（dù）。

     ( b) 足夠（gòu）的強度和韌性。由（yóu）於鑽頭在加工鈦合金時承受很大的扭轉力和（hé）軸向力, 因此, 必須有足夠的強度和韌性。

     ( c) 足夠的耐磨（mó）性。由於鈦合（hé）金韌性好（hǎo）, 要求切削時刀刃要足夠鋒利, 因此刀具材料必須有足夠的（de）抵抗磨（mó）損能（néng）力, 這樣才能減少加工硬化（huà）。

     ( d) 刀具材料與鈦合金親合能力要差。由（yóu）於鈦合金化學活性高, 因此要求刀具材料和鈦合（hé）金親合能（néng）力要（yào）差, 以免形成擴散而造成粘刀、斷鑽等現（xiàn）象。因此（cǐ）, 加工鈦合（hé）金的鑽（zuàn）頭既要有較高的硬度又要有很好的韌性、耐磨性, 而且刀具材料與鈦合（hé）金親和（hé）能（néng）力要差（chà）。

     ( 2) 鑽頭幾何參數分析

     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（shí）存在許多（duō）問題, 主要從以（yǐ）下幾個（gè）方麵進行改進:

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

     鑽頭頂角決定切屑寬度和鑽頭前角的大小。當鑽（zuàn）頭直（zhí）徑和進給量一定時, 增大頂角, 則切（qiē）屑變窄,單位（wèi）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（mó）損（sǔn）速度, 同時有（yǒu）利於散熱, 耐用（yòng）度也得到（dào）提高。頂角對前角有很大影響, 相應增大頂角有利於改善（shàn）鑽心處的切削條件。頂角影響切（qiē）屑流出的方向。頂角較大, 切屑卷（juàn）曲成螺旋的（de）程度（dù）減小（xiǎo）, 且（qiě）比較平直, 容易排除（chú）, 即提高了排屑性能（néng）。通過分析試驗, 加工鈦合金時, 采取增大（dà）鑽頭頂角的方法, 一般頂角（jiǎo）的取值範圍是135b~ 140b時鑽削效果較好。

     (b) 鑽頭鑽心厚度（dù）小。由於（yú）鑽（zuàn）削加（jiā）工鈦合金時鑽頭承受很大扭矩和軸向抗力。鑽心厚度小（xiǎo）, 則鑽頭強度低, 特別（bié）是小直徑鑽頭, 鑽（zuàn）頭易發生折斷, 需增大鑽心厚（hòu）度以提高鑽頭強度。所以要適當增加鑽心厚度。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（zhí）徑。

     ( c) 鑽頭螺旋角小。螺旋角直（zhí）接影響主（zhǔ）切削刃的前角。螺旋角越大, 則刃口越鋒利, 切削越輕快,否則會造成嚴重的加工硬化現象使得刀刃很快磨損。由麻花鑽的外（wài）形特點可知切削刃上（shàng）各點螺旋（xuán）角是變化的。越靠近外圓處（chù）螺旋角越大, 前角也越大,切削刃越（yuè）鋒利, 切削性能越好。而靠近鑽心處螺旋角最小, 切（qiē）削性能最差, 可以將此處磨成（chéng）球（qiú）圓（yuán）弧狀,以改善切削（xuē）條件。

     隨螺旋角增加, 切削刃強度減弱, 磨損快, 甚至會發生切削刃燒毀等現象。因（yīn）此（cǐ）合理選（xuǎn）擇螺旋角,以適合（hé）鈦合金鑽削加（jiā）工成為關鍵問題。

     ( d) 鑽頭外緣處後角小, 影響（xiǎng）鑽（zuàn）心處切削刃的前角。鑽頭切削刃各點上的後（hòu）角也是不等的（de）, 愈（yù）接近中心, 其後角愈大。因此, 鑽頭後角的標注和要求,都以鑽頭外緣處為準, 增大鑽頭外緣處（chù）後角, 可以使切削（xuē）刃鋒利, 改善切削性能, 特別是對鑽心處（chù）的鑽削加工（gōng）有明顯改善。因此, 適當的改進鑽頭幾何參數,以適合鈦合（hé）金鑽削加工十（shí）分重要（yào）。

     ( e) 選取適當的進給量。在鈦（tài）合金的鑽削過（guò）程中, 應采用較低（dī）的（de）切削速度, 以免切（qiē）削（xuē）溫度過高; 進給量應適中, 進（jìn）給量過大易引起刀刃燒傷。根據實踐經驗（yàn）, 通常取進（jìn）給量為f = 0. 05mm/ r~ 0. 15mm/ r,切削速度v= 10~ 30m/ min。

     ( 3) 選用有效的冷卻（què）係統和合適的冷卻液。鑽削加（jiā）工鈦合金時最好不用含氯的冷卻液, 以避免產（chǎn）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）, 其成分是: 葵二酸7~ 10% , 三乙醇胺7~ 10% , 甘油7~ 10% , 硼（péng）酸（suān）7~ 10%, 亞硝酸鈉3~ 5%, 剩餘為（wéi）水。

     鑽削（xuē）深孔時, 盡可能不（bú）選水基切削液, 在（zài）高溫下切削刃上形（xíng）成氣泡, 易產生積屑瘤（liú）, 最好用N32 機械油加煤油, 配比是（shì）3: 115, 也（yě）可用硫（liú）化切削液。

     5 鈦合金鑽削的新發展

     對於鈦合金的加工除了傳統的切削方式, 近年來還陸續發展起來了一係列的新加工方法（fǎ）和加工工藝, 這些新（xīn）工（gōng）藝、新方法不僅僅（jǐn）應用於車削（xuē）、銑削, 同樣也大量（liàng）應用於鑽削（xuē）加工, 具體如下:

     ( 1) 低溫切削: 用液氮( - 180 e ) 或低溫液體( -76 e ) 作為切削冷卻液, 將加工（gōng）環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高（gāo）引起的刀具過度磨損等後果。

     ( 2) 真（zhēn）空（kōng）切削（xuē）: 在真空中加工鈦合金可（kě）杜絕空氣中的（de）雜質與鈦發（fā）生反應。降低刀（dāo）具壽命。

     ( 3) 惰（duò）性氣體（tǐ）保護切削（xuē）: 在被加工表麵創造惰性氣體環境, 有效隔絕空氣中（zhōng）的雜質, 與真空切削相比工藝（yì）性更好, 實現更容易。

     ( 4) 靜電冷幹式切削: 是通過靜電（diàn）場裝置將壓縮空氣離子（zǐ）化, 由於在還原時需要急劇的吸收熱量。將這樣一種方法用（yòng）到鈦合金的切削中, 將電離（lí）的空氣離子（zǐ）經（jīng）由噴嘴送至切削區, 並在切削區（qū）獲取足（zú）夠的熱量, 同時使得切削區的溫度迅速下降。靜電冷卻（què）幹式切削不（bú）僅有效降低切削區溫度, 更重要的是能在刀具與切屑和刀具與工件接觸（chù）麵上形成起潤滑作（zuò）用的氧化薄膜（mó）, 增加刀具的使用壽命。靜電冷卻裝置組成: 電源裝置（zhì）、靜電場（chǎng）裝置、壓力空氣裝置、電離空氣的輸送係統、各部分的連接件、夾具安裝框架（jià）、噴嘴等。

     ( 5) 超聲波振動（dòng）鑽（zuàn）削加工。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的。超聲波振動切削可以: 減少變形（xíng）區的大小和切削力; 消除刀瘤; 改變刀（dāo）具工作麵上（shàng）摩擦特性; 並且由於超聲波振動阻尼的有效性, 提（tí）高了切削（xuē）過程（chéng）的動態穩定性; 由於超聲波的毛細效應, 改（gǎi）善了工作區冷卻潤滑液的進（jìn）入條件, 但超聲波引起的交變載荷卻降低（dī）了刀具的壽命。

     此外, 還（hái）有激（jī）光切削、電解切削( 電化學切削) 、電磁（cí）切削、加熱切削、磨料液噴射切削、特（tè）殊熱處理降低（dī）硬度切（qiē）削等一係列的新加工方（fāng）法。隨著新加工（gōng）手段和（hé）新加工工藝的發（fā）展, 鈦合金的加工方（fāng）式不斷改進, 必將促進鈦合金在社（shè）會各領域的廣泛發（fā）展。