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　　尽管现在有新一代的刀具材料，可以彻底改变大量工件材料的可加工性，但钛的加工仍然是一个难题。本文分析了主要的加工问题，即切屑形成、刀具磨损和磨损机制。还介绍了加工这种昂贵且难以加工的材料的替代方法；这些方法包括使用旋转和凸缘刀具以及超声波辅助。

　　钛是一种在高温下仍保持高强度重量比的金属，并且具有出色的耐腐蚀性。这些特性是过去 40 年来钛工业快速发展的主要原因。这种材料的主要应用领域是航空航天工业，包括机身和发动机部件。非航空航天应用主要利用其出色的强度特性，例如蒸汽涡轮叶片、超导体、导弹等；或耐腐蚀性，例如海洋服务、化学、石化、电子工业、生物医学仪器等。

　　然而，尽管钛的使用量和产量不断增加，但与许多其他金属相比，它们价格昂贵，因为提取过程复杂、熔化困难且制造过程中存在问题。另一方面，较长的使用寿命和更高的性能水平抵消了高昂的生产成本。

　　1955 年，研究人员指出，“无论采用何种技术将钛金属加工成切屑，钛及其合金的加工始终是一个问题”，而最近，研究人员评论道，“就切削刀具材料而言，情况仍然如此”。

　　钛的可加工性差，导致许多大公司（例如劳斯莱斯和通用电气）投入大量资金开发技术以最大限度地降低加工成本。同样，面对这样的挑战，刀具制造商也在寻找能够延长刀具寿命的新刀具材料。

　　虽然提高加工率将大大增加材料的使用率，但必须注意，这只是影响材料使用的众多因素之一。在任何特定应用中，还必须考虑包括材料成本在内的其他因素。

　　纯钛在 882.5°C 时发生同素异形转变，从 cph（α 相）变为 bcc（β 相）。转变温度受某些元素的添加影响很大。那些导致转变温度升高的元素（或 α 稳定剂）是 Al、O、N 和 C。导致转变温度降低的元素被称为“β 稳定剂”（Mo、V、Nb、Cu 和 Si）。其他元素对转变温度影响不大，被称为“中性元素”（Sn 和 Zr）。钛合金分为四大类：

　　1.非合金钛。这些材料具有优异的耐腐蚀性，但强度较低。通过添加少量的 0 和 Fe 可以提高强度。

　　2.α 和近 α 合金。α合金含有α稳定剂，具有优异的抗蠕变性能；近阿尔法合金是含有有限数量的β稳定剂但行为更像传统阿尔法合金的阿尔法合金。

　　3.阿尔法-β合金。该组在室温下呈现“阿尔法”和“β”相的混合物，并含有阿尔法和β稳定剂的添加物。该组合金是航空航天工业中使用最广泛的合金，Ti-6A1-4V是其最常见的合金。

　　非合金等级、α 和近 α 合金主要用于耐腐蚀和低温应用。α-β 合金主要用于强度应用，β 合金则用于需要可淬硬性、良好的可锻性和冷成形性特性的应用。α-β 合金 Ti-6A1-4V 约占钛总产量的 45%，而非合金等级约占 30%。所有其他合金占剩余的 25%。

　　值得注意的是，钛合金相对于钢具有良好的机械性能，但热性能相对较差。虽然钛的比热比钢高，但由于其密度低得多，其体积比热较低。随着合金含量和 β 相的增加，强度水平普遍提高，导致本来就很差的加工性能变得更糟。

　　虽然大多数材料都能形成厚度相对均匀的连续切屑，但钛合金形成的切屑呈锯齿状，因此被归类为“灾难性剪切切屑”。切屑中的应变局限于切屑段之间的窄带内，这些切屑段内的变形很小。研究人员定性地解释了切屑分段的特征。在此模型中，由于局部温度升高而导致的强度下降率等于或超过由于主剪切区的应变硬化而导致的强度增加率。当相对刀具运动产生的应力超过材料的屈服强度时，在特定的剪切平面上发生剪切以形成切屑。与这种变形相关的能量会立即转化为热能，由于钛合金的热性能差，温度会大幅上升。这反过来又导致局部温度软化，因此应变会继续在同一平面上，而不是移动到较冷材料的新平面上。随着变形的进行，变形剪切面旋转，从而变得越来越大，直到由于这种旋转而增加的力超过在更有利的平面上塑性变形较冷材料所需的力。这个过程被称为“灾难性热塑性剪切”或“绝热剪切”，并导致产生锯齿状切屑的循环过程（图 1）。

　　虽然这种切屑形成过程可以应用于商用纯钛及其所有合金，但研究人员认为，分割条件因微观结构而异，并且在 α 合金中没有观察到明显的锯齿状切屑。他们还指出，在 α-β 合金中观察到典型的锯齿状切屑，并且绝热剪切变形发生两次以在 β 合金中形成一个切屑锯齿。研究人员提出了一些关于整个切屑分割过程的详细模型。

　　切削条件对切屑形成的影响可以通过切削条件对切削温度的影响以及加工硬化/软化率的影响来理解。在低速下，热梯度较低，剪切带之间的距离较小。当速度降低到变形变得均匀的“临界值”时，该距离接近于零。由于切削温度将升高，因此可以预期该临界切削速度会随着进给率的增加而降低。切削深度和前角的影响需要进一步的具体研究，尽管刀头的厚度已被证明随着这两者的减小而减小。然而，临界切削速度是根据温度相关过程来解释的，并且纯热激活过程的结论可能并不可靠。

　　这种周期性切屑形成机制会导致刀具上的作用力在一段时间内发生很大变化，这反过来又会在不利条件下促使发生颤动，从而导致表面光洁度起伏不定。这种周期性力变化还可能导致某些类型的磨损机制增强。根据 研究人员的研究，随着合金含量的增加，β 相也随之增加，这种影响更加明显。

　　研究人员证实，在切屑和刀具之间存在一个非常薄的“流动区”（也称为“卡死区”）。在比较该区域和整个芯片的结构后，他得出结论，灾难性热塑性剪切的机制也发生在芯片的二次剪切区域。

　　尽管经常有报道称钛的加工性差是由一个或多个因素造成的，但事实上，许多特性共同作用导致这种金属被归类为难加工材料。

　　1.保持高强度可以提高加工过程中产生的温度，从而抵消形成切屑所需的塑性变形。

　　2.钛的切屑非常薄，因此与刀具的接触面积异常小[在相同的进给率和切削深度下，接触面积仅为钢的接触面积的三分之一。这会导致刀具顶部产生高应力，尽管据报道切削力与钢相似，因此加工中的功耗大致相同。

　　3.切屑和刀具表面之间的“摩擦系数”很高，尽管研究人员表明这与加工许多钢材时获得的摩擦系数一致。

　　4.钛在切削温度（ 500°C）下与几乎所有可用的刀具材料都具有很强的化学反应性。

　　5.钛切屑的形成过程是“绝热或灾难性热塑剪切”。钛的体积比热低，接触面积相对较小，切屑和刀具之间存在非常薄的流动区[大约 8 pm，而在相同切削条件下切削铁时为 50 pm]导致刀尖温度高达约 1100°C。

　　6.尽管据说不会出现积屑瘤，但一些作者已经证实在低切削速度下存在积屑瘤，这可能导致某些操作的表面光洁度较差。

　　9. 加工硬化率很高，尽管研究人员报告说，事实上它的加工硬化程度低于钢。

　　钛是一种通常用于制造对可靠性要求最高的部件的材料，因此必须控制表面粗糙度和对亚表面层（包括残余应力）的任何损坏。一些关于表面完整性参数（微观结构硬度、表面粗糙度和残余应力）的具体研究已经发表。当钛以粗暴的方式加工时（例如使用钝工具时），会产生过热的白色层，该层可能比基材更硬或更软。在加工钛合金时测定表面残余应力证明，它们是压缩的，并且它们的值根据切削条件而不同[随着切削速度的增加而增加]，尽管如果使用钝工具，亚表面层的形成也可能影响这一点。

　　众所周知，加工钛合金时产生的高温以及这种高温作用于刀具切削刃附近是刀具快速磨损的主要原因。研究人员研究了使用各种刀具材料加工 Ti6A1-4V 时产生的热量，并绘制了热量分布曲线）。钢的数据也作为比较的基础。加工钛合金时，刀具可以吸收 80% 的热量，而加工钢合金时最多只能吸收 50% 到 60% 的热量。

　　研究人员使用金相方法确定了加工钛合金时高速钢刀具的切削温度分布。研究发现，与加工铁合金相比，加工钛合金时的温度梯度要陡峭得多，热影响区要小得多，而且热影响区离切削刃更近，即使加工速度较低。使用相同的技术，研究人员获得了类似的结果，并解释说，由于切屑较薄、二次剪切区较薄以及切屑刀具接触长度较短，因此最高温度产生于刀具切削刃附近。还表明，在相同的切削条件下，工件材料越强（β 相含量越高），加工过程中产生的温度就越高。加工钛时的切削力与加工钢时获得的切削力一致，但由于接触面积非常小 [比加工钢时小 2 到 3.5 倍]，因此在切削刃附近会产生高应力。据研究人员报道，加工 Ti-6A14V 时刀具上的应力甚至高于加工 Nimonic 105 时的应力，是加工钢时的 3 到 4 倍（见图 3）。

　　钛在高温下的高强度也导致了这些高应力，并且这些强度仅在 800°C 以上才会显着下降。

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　　刀具切削刃产生的高温和高应力都可能导致塑性变形和/或加速刀具磨损。为了尽量减少问题，必须使用切削液，这是基本原则。极压乳化油效果不错，而含磷酸盐的乳化油效果最佳。切削液在充当润滑剂的同时，主要起到冷却剂的作用，从而降低刀具温度。

　　尽管陶瓷和涂层硬质合金刀具在最近几年质量有所提高，数量也有所增加，但 WC/Co 合金在大多数情况下都比它们表现更好。一些作者认为，在加工钛合金时，高速钢刀具最适合断续切削（铣削、拉削和刨削），也适合钻孔、铰孔和攻丝，而硬质合金刀具通常用于连续切削，也用于高生产率的平板和面铣削。研究人员发现，后一种应用中最好的等级是 C-2，最差的是 C-8（美国工业代码）。这些分别相当于 ISO 代码 K20 和 PO1，表示最佳等级是仅含有碳化钨和钴的等级。研究人员已证实 WC/Co 等级的性能更佳，无论发生何种磨损机制。最近，研究人员使用涉及各种刀具材料在 Ti-6A1-4V 连续车削中的试验证实 K 等级是最佳选择。Co 含量为 6 wt% 且 WC 晶粒尺寸在 0.8 至 1.4 pm 之间的 WC/Co 合金似乎是最佳选择。表 2 显示了这些作者针对不同刀具和切削条件发现的磨损率结果。他们发现陶瓷（Al2O3-ZrO2、Al2O3-Tic、Al2O3,-Tic-ZrO2、Sialon）和钢切削级硬质合金不适合车削钛。还测试了所有涂层硬质合金刀具（涂有 Tic、TiN-Tic、Al2O3,-Tic、TiN-Ti(C、N)-TiC、Al2O3、γ 层、HfN、TiB2 的硬质合金），其磨损率高于直级硬质合金。研究人员也发现了类似的结果。

　　超硬刀具材料（立方氮化硼和聚晶金刚石）在加工钛时也表现出良好的磨损率，天然金刚石也是如此。然而，它们的高价格限制了它们的应用。研究人员使用几种等级的硬质合金在各种切削条件下对 Ti-6A1-4V 合金进行了面铣削测试。在这些测试中，K20 等级总体上表现最佳。

　　在其他面铣削测试中，研究人员比较了细晶粒 WC/Co 等级与三层涂层（TiN-Tic-TiN）硬质合金刀具在加工时的性能Ti-6AI-4V 合金。这表明，只有在低切削条件下，涂层刀具的性能才优于未涂层的 WC/Co 合金。在高切削速度下，产生的高温使得工件材料和涂层之间发生化学相互作用，因此涂层被快速去除，导致基材在大部分刀具寿命中充当切削刃。

　　关于钛加工时磨损机制的具体研究并不丰富，而且大多数可用的研究仅提供表面处理。例外情况是参考文献。需要指出的是，不同的刀具材料往往对不同的磨损机制有不同的响应。塑性变形可能是其他磨损机制的主要因素，尤其是加工钛时使用高速钢刀具。高压缩应力的存在以及切削刃附近高温的产生会导致切削刃和/或刀尖塑性变形，从而导致刀具崩裂。前刀面上的剪切也会形成凹坑。这两种效应都会大大加速其他磨损机制。

　　专业人员还在他的短刀具寿命测试中使用了钢切削等级（含有钨以外的碳化物）和纯 WC/Co 等级的硬质合金。他对两种商用纯钛合金（α-β 合金和 β 合金）的结果检查了磨损机制。这些工具会塑性变形（尤其是在较高的切削速度下），并遭受磨损和扩散。由于混合碳化物颗粒的磨损率大于 WC 颗粒，因此钢切削等级的硬质合金不如直等级。

　　磨损机制优先作用于混合碳化物颗粒，含有混合碳化物的工具也比 WC/Co 工具更快地因扩散而磨损。专业人员还表明，当扩散是含有多种碳化物变形元素的工具的主要磨损机制时，Tic 的存在比 TaC 更有害，这也许并不奇怪。

　　通过他们的测试，专业人员发现，溶解扩散磨损在所有未涂层硬质合金和陶瓷的“前刀面”上占主导地位，但磨损是 Sialon 工具的磨损机制。在“后刀面”上，磨损控制陶瓷和钢切削材质硬质合金的磨损率，而溶解扩散控制直材质硬质合金的磨损率。这可能归因于 WC/Co 合金与其他等级相比具有更高的韧性。前刀面和后刀面上的 TIN、TIC、A1,0 和 HfN 涂层主要通过溶解-扩散磨损。TiB 涂层比其他涂层更耐磨损，CBN 工具也是如此。严重影响陶瓷工具的缺口磨损主要是由断裂过程引起的，可能涉及微动疲劳，但也有报道称 Sialon 工具的缺口磨损表面更光滑（可能是由与大气的反应引起的）。

　　据报道，当使用硬质合金和陶瓷工具以高切削速度加工钛时，塑性变形和热冲击过程中裂纹的形成将主导磨损机制。

　　根据专业人员的说法，在切屑刀具界面处存在“流动区”将通过消除它们之间的滑动来最大限度地提高耐磨性。如果形成流动区，磨损将受到刀具成分通过该层的扩散速率的限制。与在滑动条件下由切屑的物理运动（即磨损）引起的磨损相比，这种磨损过程被认为发生的速度较低；然而，当存在流动区时，在其他加工操作中也发现了磨损。研究发现，WC/Co 级硬质合金和聚晶金刚石是加工钛的最佳刀具材料，因为在刀具和切屑之间形成了稳定的反应层。WC/Co 基复合材料或聚晶金刚石中的碳与工件反应形成 TiC。该反应层在切削温度下具有高抗变形性，并牢固地粘附在刀具和切屑上。该层很快变得饱和，限制了刀具成分从刀具表面的质量传输并降低了磨损率。然而，这似乎与以下事实相矛盾：在商用刀尖上通过化学气相沉积形成的碳化钛无法有效抑制磨损。专业人员在测试 Ti-6A1-4V 后表明，月牙洼磨损与刀具的化学成分密切相关。他们发现，缺口磨损与刀具的断裂韧性密切相关，这与前提出的断裂机制一致。

　　在使用 WC/Co 材质和涂层刀具对钛合金进行面铣削时，崩刃是造成刀片报废的原因。这种磨损是高温、高热和机械循环应力以及工件材料粘附在刀具表面上的综合作用的结果。研究还发现，崩刃之前会发生初始正常侧面磨损，这有助于增强崩刃首次出现的关键条件。

　　切削技术的改进包括使用具有超细晶粒的 WC/Co 烧结刀片和专门为加工钛而开发的特定刀具几何形状。这些方法具有一些优势，但也采用了更激进的方法来克服加工问题。所有这些方法在某些情况下都曾被使用过，但并不常用。

　　这些刀具是由通用电气公司开发的。它们具有薄刃，其悬伸距离与所需切削深度相等。因此，它们具有受限的间隙面，这将限制刀具的最大后刀面磨损。随着切削的进行，它们首先达到最大后刀面磨损，然后悬伸长度会磨损回来，而后刀面磨损不会进一步增加。这些特性使刀具能够长时间使用，因为刀具寿命不受后刀面磨损量的限制，而是受刃口大小的限制。图 4 示意性地显示了凸缘刀具。由于几何形状受限，这些刀具仅适用于车削、端面加工、镗孔、面铣和一些周边铣削操作中的直线切削。另一个限制是切削深度必须等于或小于凸缘悬伸的宽度。

　　虽然这些刀具尚未广泛使用，但已通过实验发现使用这些刀具可获得良好的结果。

　　尽管旋转刀具的概念由来已久，但直到最近，通用电气公司企业研究开发部才设计出一种具有足够刚性以避免振动的旋转车削刀具。

　　这种刀具声称具有以下优点：(a) 比固定刀片更容易润滑和冷却，(b) 温度分布更均匀，(c) 如果形成金属堆积物，可以从外部去除。

　　使用旋转刀具时，刀具寿命大约是传统刀具的七倍。这些数字是在非常高的进给率（高达 1 毫米/转）下加工 Ti-6Al4V 时得出的，这不会牺牲表面光洁度或切削过程的稳定性。刀片必须是圆形的，虽然能产生出色的表面光洁度，但又会降低其加工复杂表面的效率，并可能限制切削深度。

　　据报道，超声波设备可辅助各种金属去除工艺，如车削、钻孔、麻花钻等。它们的应用可以：(a) 改善表面光洁度，(b) 减少表面下变形，(c) 通过促进切屑断裂（表明切屑去除得到改善）改变切屑特性，(d) 消除积屑瘤和 (e) 延长刀具寿命。主要在钻孔方面观察到了巨大的改进。

　　据报道，最近开发了易加工钛和钛合金。这些材料同时添加硫和稀土元素，并产生稀土硫化物的小夹杂物（长度小于 5 微米）。其结果是促进了切屑分段并明显降低了切削温度。钻孔和车削的刀具寿命已大大提高，而切屑形成也显示出一些改善。虽然本文没有显示除加工性能之外的其他性能的详细信息，但与作者的私人交流表明，与在钢中添加硫不同，这并没有导致性能的严重恶化。这一定是近年来该领域最有趣的进展之一。

　　钛及其合金的使用不仅在航空航天工业中日益增多，而且在海洋、生物医学、电子、化学和石化工业中也日益增多。

　　与同等硬度的钢相比，钛的加工难度更大。钛的切屑呈锯齿状，由一种称为“灾难性热塑性剪切”的机制形成，由于软化速度（由高度局部的温度引起）高于加工硬化速度，因此在段之间的薄层中发生强烈剪切。灾难性的热塑性剪切也会发生在切屑和工具之间的流动区域。

　　碳化钨-钴合金被认为是用于连续加工钛的最佳刀具材料，但高速钢刀具可能更适合断续切削。

　　溶解-扩散、磨损和塑性变形经常在刀具的侧面和凹坑区域占主导地位，这主要取决于切削条件和刀具材料。缺口磨损主要由断裂过程和/或化学反应引起。

　　加工过程中的切削温度和应力很高，并且停留在切削刃附近。高切削温度是由于灾难性热塑性剪切过程中产生的热量、薄切屑、薄次级区和短切屑刀具接触长度造成的。由于接触面积小，钛即使在高温下也具有高强度，因此应力很高。

　　通常，建议在较差的间歇性切削中使用高速钢刀具，而对于其他操作，建议使用仅含 WC 和 Co 的碳化物等级。使用金刚石和立方氮化硼可能会带来一些好处，但这些好处通常不具有成本效益。必须考虑使用具有微晶粒的特殊 WC/Co 刀具、凸缘刀具、旋转刀具和超声波辅助加工作为提高钛部件生产中金属去除率的替代方法，前提是部件几何形状允许这样做。

　　然而，缺乏有关各种钛合金与各种刀具材料的详细磨损信息以及相应的磨损机制信息，无法全面了解所涉及的因素。