摘要：钛合金具有比强度高、热强性好、耐腐蚀性高的特点，因此在航空领域得到广泛应用。本文首先简要描述了钛合金相对其他金属材料的优势和其在航空领域的应用现状，然后从材料特性方面综述了其切削加工性的特点。最后，根据钛合金加工过程中高温、高粘的特性优选刀具结构及材质，叙述了钛合金切削工艺研究现状。 关键词：钛合金；刀具；工艺
钛及钛合金是国防、经济和技术发展的战略要素，它们被称为战略金属，21世纪的第三代金属，广泛应用在航空发动机和飞机制造业。同其他金属结构材料比较，其具有三个显著优点：比强度高、热强性好、耐腐蚀性高。金属钛及其合金作为结构材料具有许多吸引人的特性，但它们也有一个主要缺点，即初始成本较高。其中，造成钛合金零件价格高的原因有很多，加工成本是主要原因之一。因钛合金材料黏性大、温度高极易造成刀具磨损，为减小刀具损耗，往往加工速度比普通钢件低50%，如何优选加工刀具，提高钛合金材料的加工效率，成为钛合金切削加工领域的难题。
一、钛合金在航空领域的应用
在航空制造领域的选材方面，通常从这几个方面入手：1、能够减轻飞机的重量。钛合金具有较高的比强度(强度密度比)，使其拥有较低的密度(比钢低50%)和机械性能。例如，在起落架结构中，由于钛合金具有更好的强度密度比，用钛合金替代高抗拉强度钢材可显著减轻重量。2、具有抗腐蚀性。与钢不同，钛合金不存在腐蚀问题，从而降低了定期维护成本，提高了资产利用率。3、能够承受飞机在高速飞行中产生的热载荷。钛合金的热膨胀系数不到铝合金的一半，比钢低约75%。即使在较小的温度范围内，钢或铝合金的热膨胀系数也可能导致部件变形甚至断裂，钛合金则不会出现这种情况。
目前最为典型的钛合金材料Ti-6Al-4V合金，它是1954年美国研制成功的，由于它的耐热性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，成为钛合金工业中使用量高达75%~85%的钛合金，现在仍是航空应用的主体，其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V的改型。随着钛合金需求市场的扩大，实现高强度、高塑性(延伸率≥为6%)和高韧性的良好协同效应已被确定为其研究和开发的最大技术瓶颈。通过对新型钛合金的开发和创新加工技术研究，已有十几种新开发的合金表现出优异的强塑性韧性组合，包括TC4、TC18和TC21，特别是室温极限拉应力大于1100 Mpa的高强钛合金(TB18)，由于具有超高强度、高韧性和良好的淬透性等优点，已成为航空工业中正在应用的新型结构材料。
二、钛合金切削加工性特点
1.切屑短。切屑与前刀面之间的接触较小，刀尖应力较高，温度较高。与45#钢相比，切削力只有2/3-3/4，但由于钛切屑与刀具之间的接触非常小，45#钢只有1/2-2/3，刀具承受的应力比45#钢高1.3-1.5倍，温度为45#钢的两倍，易于因刃尖应力集中导致刀尖和切削刃磨损或崩刃。
2.严重的粘刀现象。由于钛的亲和性，切削时，钛屑、被加工表面与刀具材料咬合，产生严重的粘刀现象。粘刀的结果，在切削加工过程中，引起强烈的粘结磨损。
3.大摩擦系数。在条件相同下，钛合金材料的摩擦系数和切削速度均高于普通碳钢，刀面高摩擦会导致高温度和易磨损。
4.高化学活性。钛合金在高温下具有较高的化学活性，与空气中的氧、氮和水蒸气相互作用，在钛合金表面产生硬化层，从而提高产品硬度，降低塑性，进一步缩短切屑与前刀面表面之间的接触长度，这会导致更快的刀具磨损。
5.导热系数低。钛的导热系数仅为铁的1/5和铝的1/14.此外，刀具与切屑接触短，刀具热量
集中于切削刃附近的小区域，不易散发，导致刀具温度较高，刀具磨损速度较快。
6.低弹性模量。由于钛弹性模量、屈强比大，加工后的工件表面在切削时容易回弹，导致刀具表面磨损和工件变形。
三、钛合金切削工艺研究现状
首先，在降低切削温度方面，由于钛合金变形因子和导热系数较低，切削过程中可能会产生较高的剪切热。当热浓度达到一定的临界温度时，刀具磨损加快，产品质量下降。由于传统的冷却技术，很难提高零件表面质量，低温切削、微量润滑技术已成为研究热点。低温切削技术是一种使用冷却液有效降低工作区域温度的技术，其不仅降低了切削温度，而且还通过在局部冷却过程中破坏材料并增加切削功能的频率来延长刀具寿命。最新研究结果表明，与干切削相比，液氮冷却可减慢热裂纹的产生速度，大大提高刀具的耐久性。
其次，在刀具选材上，宜选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，如YG类硬质合金。由于高速钢的耐热性差，因此应尽量采用硬质合金制作的刀具。常用的硬质合金刀具材料有YG8、YG3和YD15等。涂层刀片和YT类硬质合金会与钛
合金产生剧烈的亲和作用，加剧刀具的粘结磨损，不宜用来切削钛合金，如YT15；对于复杂、多刃刀具，可选用高钒粉末冶金高速钢刀具材料，制作切削钛合金的钻头、铰刀、立铣刀、拉刀、丝锥等刀具。
最后，在切削参数方面，切削参数对零件加工表面质量、刀具使用寿命和生产效率有很大影响。在实际加工中，通过优化加工参数的方法可以一定程度上提高零件表面加工质量，减少刀具磨损崩刃情况的发生。国内外学者提出了确定最优切削条件的各种研究方法和评价模型。基于建模数据的多目标参数数控铣削优化方法将连续问题转化为离散问题。将变量优化问题转化为多参数优化问题，建立相应的数学模型。优化了切削参数，减少了加工错误。研究了正交车铣参数对TC4切削加工、刀具寿命和工件表面粗糙度的影响。结果表明切削速度、切削深度和进给速度对刀具寿命影响最大。
在生产中，应根据国内材料条件、机械、控制、成本等对钛合金加工参数的选择进行细化，只有通过实验和模拟参数选择才能逐步停用的粗放型生产方法。在发展中国家推广高质量的刀具的开发，并逐步改变完全依靠进口工具的局面。
参考文献：
[1]叶勇,王金彦.钛合金的应用现状及加工技术发展概况[J].材料导报,2012,26(S2):360-363.
