1 引言（yán）

     1791 年英國人William Gregor 第一次發現了鈦元素, 但是由於純金屬鈦很難（nán）製備, 直到1932 年盧森堡化學家Wilhelm Justin Kroll 才用TiCl4 和Ca 製取出大量的鈦。直至今日, 該（gāi）方法仍然是應用最廣泛的工藝, 被稱為（wéi）/ Kroll 工藝0。第（dì）二次世界大戰後鈦基合金很快發展（zhǎn）成為航空發動機的關鍵材料。今天, 航（háng）空航天工業仍然是鈦及鈦合金的主要（yào）應用領域, 在其他領域如建築、化工、醫藥、能源、海洋和（hé）近海、體育休閑以及（jí）交通運輸等行（háng）業也得到了越來越廣泛的應用[ 1] 。

     2 鈦合金的分類及性能（néng）

     工業純鈦在882 e 發生同素異構轉變, 常（cháng）溫下純鈦和（hé）大多數鈦合金一樣都結晶成近似理想狀態下的密排六方結構的A- Ti; 高溫下為體（tǐ）心立方結構的B- Ti。表1 列出了高純多晶A- Ti 的（de）部（bù）分重要物理性能。

     與純（chún）鈦（tài）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（xíng）和B 型合金三大類。在數量眾多的（de）鈦合金之中, 美國的Illinois 技術研究所20世紀50 年代初開發（fā）的Ti- 6Al- 4V 合金的應用最為廣泛, 占使（shǐ）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（yòng）而產生) 中加入少量的B 穩定化元素( V)得到的。其力學性能如表2 所示。

     3 鈦合金（jīn）的切削加工性

     鈦合金是一種典型的難加工（gōng）材料, 其比強度高、導熱性（xìng）差、加工硬化嚴重; 由於其化學（xué）活性大, 在（zài）一定溫度下與周（zhōu）圍介質容易發生化學反應, 產生脆而硬的外皮, 加工時塑性和衝擊韌性劇烈下降, 刀具磨損和破損嚴重、耐用度低, 加工精度和表麵質量難（nán）以（yǐ）保證, 加工（gōng）效率很（hěn）低。

     鈦（tài）合金的諸多性能中導熱係數、彈性模量、加工硬化、化（huà）學活性及合金類（lèi）型和顯微組（zǔ）織等起到了主要作（zuò）用, 所以鈦合金的切削加工存在著以下一些限製:

     (1) 鈦合金的導熱率低, 約為鐵的1/ 3, 阻礙（ài）了機加工過程中所產生熱（rè）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（biǎo）麵（miàn）形成氧化硬層從而加速刀（dāo）具的磨損;

     ( 2) 鈦合金的彈性模量低, 使已加工表麵容易（yì）產生極大的回（huí）彈, 特別是薄壁零件的加工（gōng）回彈更為嚴（yán）重, 易引起後刀麵（miàn）與已加工表麵產生強（qiáng）烈摩擦, 從（cóng）而磨損刀具和崩刃。而且在回彈力的作用下會引起零件在機加工（gōng）過程（chéng）中偏離刀具。

     (3) 鈦（tài）合金（jīn）的硬度較低、化學活性很強, 導致鈦與刀具（jù）之間（jiān）的產生咬合。且高溫下鈦（tài）極（jí）易與（yǔ）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成的富氧層的機械加工困難。所（suǒ）以, 要成功地切削（xuē）加（jiā）工鈦合金零件應（yīng）遵（zūn）循以下通用準則（zé）:

     ( 1) 工件盡可能短, 並安裝在（zài）夾具中以免出現振動;

     ( 2) 適當增大後角（jiǎo）, 減小前角以增大切（qiē）屑（xiè）與前刀麵的接（jiē）觸（chù）長度, 減小工件與後刀麵的摩擦。定時刃（rèn）磨刀具保持（chí）刀具的鋒利, 防止刀（dāo）具出現磨鈍後的迅速破（pò）壞;

     ( 3) 采用剛性的加工設備和夾具;

     (4) 切削過程（chéng）采用水溶性油以及氣相亞硝胺型防鏽液充分、及（jí）時冷卻, 不（bú）僅可以迅速散熱, 而且能預防由於鈦（tài）粉、切屑或碎（suì）片而引發的火災;

     ( 5) 采用低（dī）的切削速度和高的進給量; 切削過程中（zhōng）不（bú）能停（tíng）止進刀, 因為此（cǐ）時刀具與工件產生摩擦將促（cù）進刀具（jù）的（de）汙染和粘接, 加速刀具的磨損;

     (6) 機加工前應采用噴砂處（chù）理或在含2% 硝酸的溶液中酸洗去除硬（yìng）的表麵氧化皮;不同的加工方式因其的切削特（tè）點和條件不同,在（zài）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的普通原則。

     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（jiā）工工藝中, 由於（yú）車削加工（gōng）的切削環境容易控製所以易獲得較好的表（biǎo）麵粗糙度, 加工硬化相對不（bú）嚴重, 但切削溫度高, 刀具磨損快。在粗加工時, 需（xū）要刀具剛性好, 刀（dāo）具前角、後角小。在精加工時, 為得到良好（hǎo）的表麵（miàn）完整性和尺寸精度, 要求刀具鋒利, 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（léng）最小。

     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（hé）脆性上升, 易使（shǐ）刀具產生缺（quē）口、崩（bēng）刃、剝落等現象, 因此增加（jiā）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（shēng）積屑瘤, 將引起工件尺寸變化, 影響（xiǎng）過盈（yíng）配合的裝配質量, 嚴重時會導致零件報廢。

     ( 2) 鈦合金的鑽削（xuē）加工（gōng）

     相對於車削過程（chéng）, 鑽削過程是在半封閉狀態下完成（chéng）的, 其摩擦大、切（qiē）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（zuàn）削加工鈦合金時應（yīng）重點考慮: 鑽頭材料、鑽頭幾何參數、鑽削用（yòng）量及冷卻液等, 避免在加工過程中極易（yì）出現的燒刀、崩刃、加工硬化、磨損過快等問題。

     在鑽削鈦合（hé）金時容易生成長而薄的卷曲切屑,同時鑽（zuàn）削熱（rè）量大, 容易（yì）使切屑過分堆積或粘附在鑽削刃上, 這是造成鑽削鈦合金困難的主要原因（yīn）。因此, 鑽孔要采用短（duǎn）而鋒利的鑽頭和低速強製進給, 支撐支架要（yào）緊固（gù）, 並要給以重複充分冷（lěng）卻（què）, 尤其是深孔鑽削。

     此外鑽削過程中（zhōng）鑽頭在孔內應保持鑽削狀態而不允（yǔn）許在鑽孔內空轉, 並應保持低而（ér）恒（héng）速的鑽削速度。鑽（zuàn）通孔要（yào）仔細, 當快要鑽通時, 為了清理鑽頭和鑽（zuàn）孔, 及去除鑽屑, 最好退回（huí）鑽頭, 最終破孔（kǒng）時采用強製進給（gěi）, 這樣可以獲（huò）得質（zhì）量較高的孔。因此, 鈦合金鑽削加工（gōng）主要從以下幾個方麵考慮:

     ( 1) 鑽頭材料

     根據鈦合金加工特性, 要求鑽（zuàn）頭材料必須具有以下特點:

     ( a) 足夠的硬度。鑽（zuàn）頭的（de）硬度必須大於鈦合金的硬度。

     ( b) 足夠的強度和韌性。由於鑽頭在加工鈦合金時承受很大的（de）扭轉力（lì）和軸向力, 因此, 必須有足夠的強度和韌性。

     ( c) 足（zú）夠的耐磨性。由於鈦合金韌性好, 要求切削時刀刃要足夠鋒利（lì）, 因此刀具（jù）材料必須（xū）有足夠的抵（dǐ）抗磨損能力, 這樣才（cái）能減少加工硬化。

     ( d) 刀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（dāo）具材料和鈦合金親合能力要差, 以免形成擴散而造成粘（zhān）刀、斷（duàn）鑽等現象。因此, 加工鈦合（hé）金的鑽頭既要有較（jiào）高的硬度又要有很好的韌性、耐（nài）磨性, 而且刀具材料（liào）與鈦合金親和能力要（yào）差。

     ( 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（jiā）工鈦合金時存（cún）在許多問題, 主（zhǔ）要從以下（xià）幾個方麵進行（háng）改進:

     ( a) 鑽頭頂角（jiǎo）小, 切削刃長, 切下的切屑寬, 因而（ér）鑽頭扭矩大, 軸向抗力也大。同時, 切屑卷曲成螺旋（xuán）狀程度大, 切（qiē）屑所占的空間也大, 排屑不順暢, 影響（xiǎng）冷卻。

     鑽頭頂角決定切屑寬度和鑽頭（tóu）前角的大小。當鑽頭直徑和進給量一定時, 增大頂角, 則切屑變窄,單位切屑刃上（shàng）的（de）負荷減輕。同時, 鑽頭外圓（yuán）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）到提高。頂（dǐng）角對前角有很大影響, 相（xiàng）應增大（dà）頂角有（yǒu）利（lì）於改善鑽心處的切削（xuē）條件。頂角影響切（qiē）屑流出的方向。頂角較大, 切屑（xiè）卷曲成螺旋的（de）程度減小（xiǎo）, 且比較平直, 容易排除, 即提高了排屑性能。通過分析試驗, 加工鈦合金時, 采取增大鑽（zuàn）頭頂角的方法, 一（yī）般頂角的（de）取值範圍是（shì）135b~ 140b時（shí）鑽削效果較好。

     (b) 鑽頭鑽心厚度小。由（yóu）於鑽削加工鈦合金時鑽頭承受很大扭矩和軸向抗力。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（xū）增大鑽（zuàn）心厚度以提高鑽頭強度（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 為鑽頭直徑。

     ( c) 鑽頭螺旋角小。螺（luó）旋角直接影響主切削刃的前角。螺旋角越大, 則刃口越鋒利, 切削（xuē）越輕（qīng）快,否（fǒu）則會造成嚴重（chóng）的加工硬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旋角（jiǎo）是變化的。越（yuè）靠近外圓處螺旋角越大, 前角也越大,切削刃越鋒利, 切（qiē）削性能越（yuè）好。而靠近鑽心處螺旋角最小, 切削性能最差, 可以將此（cǐ）處磨成球圓（yuán）弧狀,以改善切（qiē）削條件。

     隨螺旋角（jiǎo）增加, 切削刃強度減弱, 磨損快, 甚（shèn）至會（huì）發生切削刃燒毀等現象（xiàng）。因此合（hé）理選擇螺旋角,以適合鈦合金鑽削加工成為關鍵問題。

     ( d) 鑽頭外緣處後（hòu）角小, 影響鑽心處切削刃的前角。鑽頭切削刃各點（diǎn）上的後角也是不等（děng）的, 愈接近中心, 其後角愈大。因此, 鑽頭後角的標（biāo）注和（hé）要求（qiú）,都以鑽頭外（wài）緣處為準, 增大鑽頭外緣處後角, 可以使切削刃鋒利, 改善切削性能, 特別（bié）是對鑽心處的鑽削加工有明顯改善。因此, 適當的改（gǎi）進鑽頭（tóu）幾何參數,以適合鈦合金（jīn）鑽削加工十分重要。

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

     ( 3) 選用（yòng）有效的冷卻係統和合適的冷卻液。鑽削加（jiā）工（gōng）鈦合金時最好不用含（hán）氯的冷卻液, 以避免產生有毒物質和引起材料的氫脆（cuì）。鑽削淺孔時, 可用電解切削液, 其成分是: 葵二酸7~ 10% , 三乙醇胺7~ 10% , 甘油7~ 10% , 硼酸7~ 10%, 亞硝（xiāo）酸鈉3~ 5%, 剩餘為水。

     鑽（zuàn）削（xuē）深孔時, 盡可能不選水基切削液, 在高溫下切削刃上（shàng）形成氣泡, 易產生積屑瘤, 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（xuē）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（qǐ）來了一（yī）係列（liè）的新加工方法和（hé）加工工藝（yì）, 這些新工藝、新方法不（bú）僅僅應用於車削、銑削（xuē）, 同樣也大量應用於鑽削加工, 具體如下:

     ( 1) 低溫切削: 用液氮( - 180 e ) 或低溫液體( -76 e ) 作為切（qiē）削冷卻液, 將加工環境控製（zhì）在低溫條件下（xià）進行切（qiē）削加工, 可以有效地防止由於切削（xuē）溫度過高引起的刀具過度磨損等後果。

     ( 2) 真空切削: 在（zài）真空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) 惰性氣體保護切削: 在被加（jiā）工表麵創造惰性氣體環境, 有效隔絕空氣（qì）中的雜質, 與真空切削（xuē）相（xiàng）比工藝性更（gèng）好（hǎo）, 實現更容易。

     ( 4) 靜電（diàn）冷幹式（shì）切削: 是通過靜電（diàn）場裝置將壓縮（suō）空氣離子化（huà）, 由於在還原時需要急劇的吸收熱量。將這樣一種方法用到鈦合金的切削中（zhōng）, 將電（diàn）離的空氣離子經由噴（pēn）嘴送至切削區, 並（bìng）在切削（xuē）區獲取足夠的熱量, 同時使得切削區的溫度迅（xùn）速下（xià）降。靜（jìng）電冷卻幹式切削不僅有效降低切削區溫度, 更重要（yào）的是（shì）能在刀具與切屑和（hé）刀具（jù）與工件接觸麵上形成起潤滑作用的氧化薄膜, 增加刀具（jù）的使用壽命。靜電冷卻裝置組成: 電源裝置、靜電場裝置（zhì）、壓（yā）力空氣裝置、電離空氣的輸送係統、各部分的連接件、夾（jiá）具安裝框架、噴嘴（zuǐ）等。

     ( 5) 超（chāo）聲波振動鑽削加（jiā）工。強化是指鈦合金（jīn）在切削過程中用刀刃在工件（jiàn）上（shàng）用小振幅超聲波振動激勵進行切削（xuē）的。超（chāo）聲波振動（dòng）切削可以: 減少變形（xíng）區的大小和切削力（lì）; 消除刀瘤; 改變刀具工作麵上摩擦特（tè）性; 並且由於超聲波振動阻尼的有效性, 提高了切削過程的動態穩定性; 由於超聲波的毛細效（xiào）應, 改（gǎi）善了（le）工作區冷卻潤滑液的進入（rù）條件, 但超聲波引起的交變載荷卻降低了刀具的壽命（mìng）。

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