高速且经济地铣削钛金属

TiAL6V4合金工件的直交纵向车削，切削速度为250m/min

尽管钛金属加工领域取得长足的进步，但是钛合金高速切削技术（HSC）时代尚未到来。由于钛材料加工非常耗时和耗材，因此需要有一种富有前瞻性的新理论来引导和突破工艺极限。

钛合金由于其强度与重量的理想比例关系，越来越多地被应用于轻型结构件的制造上。这种合金的独特特性可以满足一些特定应用场合对材料的要求。例如，航空航天工业即可从钛金属应用中受益，因为这种金属材料能够与空气中的氧气作出快速而可靠的反应。通过这种反应，钛金属可以构成一个惰性的不会导电的腐蚀层。

钛金属的特征和优势

由于具备腐蚀层，钛金属及其若干合金在特殊情况下可与诸如CFK复合纤维材料（碳纤维强化塑料）相结合。由于氧化钛具有可构成非导电层的特性，因此，这种材料可以阻止电化学腐蚀的生成。此类腐蚀会影响到诸如铝和CFK的复合。通过采用钛金属，这种效应即可得以阻止，非惰性金属的接触腐蚀就不会发生。

鉴于这种特性，钛金属在将来也可在个人机动车交通方面大显身手，尤其在追求重量轻的机动车技术方案和对机动车载荷部件的制造上，钛金属也可以得到广泛的应用。另一个应用场合是生物医疗行业。由于人体对钛合金的良好耐受性，因此钛合金是移植产品的优良原材料。人体的可耐受性（亦被称为生物兼容性）主要基于钛金属及其合金的表面腐蚀层的惰性特性上。

钛合金在诸如油井和造船业等近海工业上的应用也越来越普遍，主要的原因仍可追溯到氧化钛腐蚀表层的特性上。钛金属的较高的热容量和较低的导温性能也非常突出，尤其在E模数较小的情况下。

在能源和热能外泄的情况下，很多热能也会被储存在相对很小的空间内，而不会发生快速的热能和温度流动（扩散）。

如果把AISI 1020钢材切削与TiAl4V金属加工作一个对比的话，可以发现钛合金的加工温度明显较高，如曲线图1所示。对于日常以加工钛合金为主营业务的企业来说，会面临着较高的要求和挑战。

从整体费用情况上看，因材料特性所限，对于切削加工单位来说，并未有任何优势。因此，目前平均切削速度为30～80m/min。在此背景下，对提高钛金属及其合金切削加工的经济性的研究成为企业的一项重要的任务。HSC技术在该领域上的拓展和应用，具有很大的可挖掘潜力。从上述的特性上可以看出，钛金属材料属于一种难切削材料。钛金属切削时所遇到的困难可以追溯到如下原因，即：为了提高生产效率，需要提高加工速度。而随着切削速度的不断提高，刀刃上的热载荷也就随之上升（曲线图1），从而在很大程度上加剧了刀具的磨损。

载荷集合提高刀具磨损程度

因切屑和工件的排热功效较低，刀刃上出现很高的温度负荷：由于导热性差和热容量大，刀刃必须接受更多的切削热量。而因为有很高的温度产生，在刀具上即会出现热扩散现象和热感应应力；

切屑和刀刃之间的接触面变小，刀具的可变形性差，从而导致刀刃边缘点上的压力负荷加大；

切削材料的耐热特性容易导致典型的层状切屑的生成。这又容易造成刀刃很高的脉动载荷；

由于E模数小而延伸率高，因此，刀具的塑性变形非常有限。这种状况容易引起刀刃受力大且易产生自振颤而发生边缘破断，最后造成刀具失效。此外，切削区后方的材料容易发生回弹，致使自由面发生摩擦；

在高温条件下，切削材料的易反应倾向会导致热扩散和刀具的磨损；

由于热量聚集在切削区域，材料具有强烈的粘附倾向，容易造成刀具失效。

影响工艺流程的诸多因素

依据HSC专家的定义，高速铣削的概念是以比常规切削工艺速度高出5～10倍的切削速度为前提条件的。通常在这样的速度条件下，切削力降低，而生产效率达到极佳。但是，这种效果在钛金属切削加工中无法得到体现。同时，Ilgner也证实，对于HSC很典型的切削力下降的现象也在钛金属切削加工中完全有效。

钛金属加工中因温度因素造成极大磨损的问题盖住了切削力下降的典型效应，见曲线图2。近几年来，人们也通过各种重要的工艺环节进行尝试，力争使钛金属部件的切削加工更具经济性。人们从技术和费用等角度，对运用冷却润滑剂和刀具涂层的可行性进行了探讨。首先，在HSC条件下，冷却润滑剂的作用微乎其微。由于温度很高，冷却润滑剂会很容易蒸发。但是，研究结果表明，高压冷却对此却可以发挥出作用。同时，高压冷却还附带可以起到更好的排屑作用。另一方面，据称在对TiAl6V4进行HSC加工过程中，也会出现温度堆积而造成刀具失灵的危险。尤其是当采用硬金属刀具和溢流冷却进行材料切削时，这种危险尤为明显。对于一些新的冷却策略，例如在采用低温冷却方法时，热交互负荷也会对铣削材料带来负面影响。

而在采用液氮喷洒并对TiAl6V4进行车削加工时，却能够获得成功。与常规的冷却润滑相比，这种液氮喷洒却能够使硬金属刀盘达到5倍的切屑行程。因此，液氮喷洒与油雾的混合使用前景大好。这种工艺也可以延长刀具的切削行程。

由于生产效率极限受到热传递效果的制约，因此还有一种可以影响加工工艺的途径。正确选择较低的切削速度（如曲线图1中的左侧），刀刃的热负荷即可降低。因为依据Gey的观点，只要加大进给量和切削截面，也可以确保很高的切削效率。最新研究结果表明，当切削力较小而切削速度较高时，也可达到这种较好的切削状态。

研究现状与展望

目前的认识表明，钛合金的高速高效铣削是可以做到的。但从一些不同观点的文献中可以看出，在钛合金的高速高效铣削这方面仍有很多潜力有待发掘。

这可以延伸到最佳切削材料的研发、合适的调节参数的制订和冷却润滑剂的改进与应用等问题上。对有关月牙形磨损问题的探索尚不能得出令人满意的结果，这也阻碍了人们对合适的切削材料的研究步伐。目前，Darmstadt工业大学PTW学院Eberhard Abele教授所带领的研究团队正在为解决此类问题而努力着。

为了更好地理解切削作业中影响区的各个过程，除了新的必要的测量方法和研究方法创新，同时也需要进行相应的模拟试验。通过PTW所进行的模拟试验可以看出，随着切削材料自身温度的变化，传热性和导温性也会发生变动。

因此，可以对透热系数进行干预。可以证明，当切削材料预加热至100℃时，最大切削温度会低于这个数值，就如同只有20℃温度的切削材料一样，如曲线图3所示。基于这种认识，采用直接金属激光烧结工艺（DMLS）制造出一种刀柄。由此可以生成泡沫状金属结构，这样，刀柄即可由-100℃～200℃之间、温度和流量可调的氮气进行调温。借助于对刀柄的试验，可以在实际生产条件下对这种理论进行检验。

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高速且经济地铣削钛金属

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