分析钛合金铰削加工的难点及解决方法
任何从事金属切削加工的人都知道，孔加工并不只是钻一个孔那样简单。刀具制造商Mapal公司北美销售经理BrianHurd总结了孔加工的基本步骤：“首先通过钻孔去除材料；然后通过镗孔确定孔的位置；最后通过铰孔确定孔的尺寸。”
通常，铰孔是实现孔的功能性的关键步骤。作为孔加工的最终工序，铰削只去除少量工件材料，它的主要目的在于获得光滑而一致的内孔表面光洁度。
在确定生产性铰削加工最佳刀具和切削参数的关键要素中，最重要的是工件材料的特性。由于钛合金具有诸多独一无二的特性，因此其铰削加工要比普通材料孔的精加工复杂得多。
更轻、更强韧的钛合金
钛合金的标志性特性之一就是其优异的强度/重量比。钛的密度仅为钢的大约60%，但其拉伸强度却高于大部分钢合金。由于钛的弹性比典型的钢大约高一倍，因此将其应用于结构件时，能够提供优异的耐久性和抗疲劳性。钛合金表面自然形成的、稳定而连续的氧化层可起到耐腐蚀的保护层作用，并使材料具有化学惰性和生物适应性。钛的熔点比钢高大约200℃，比铝高大约1,100℃。
随着钛合金的应用范围日益广泛，对其进行精密铰孔的需求也不断增加。但是，使钛合金如此有用的这些特性也使其很难加工。尽管其初始切削力只比切削同等硬度的钢时稍高一点，但钛合金材料却有产生冷作硬化的倾向。此外，尽管钛在常温下具有化学惰性，但在切削高温下却很容易与其他材料产生化合作用。使钛合金在结构应用中具有抗疲劳破损能力的良好弹性在加工中却成为一种障碍：实际上，当刀具切削刃切入时，工件材料会退让，然后又回弹。
钛合金一个最重要的、与一般的金属切削和特定的铰削加工都有关系的特性是其极差的导热性。据Niagara刀具公司介绍，在切削加工钢时，75%的切削热传入切屑中，15%的切削热传入刀具切削刃中，10%的切削热传入工件材料中。而在切削钛合金时，只有25%的切削热被切屑带走，15%的热量被工件吸收，其余60%的切削热则都传入了刀具切削刃。
集中的热量会大大缩短刀具寿命。钛合金的高温反应性会导致在刀具与工件之间发生材料扩散，从而加剧刀具的月牙洼磨损和刻划磨损。由于铰削加工属于轻切削，因此必须对切深量仔细进行权衡，如切深过大，会影响孔的尺寸精度和表面光洁度；如切深过小，则会造成刀具推挤而非切削工件材料，产生摩擦和更多热量，并使加工表面发生冷作硬化。
前序加工的钻头或镗刀直径决定了铰削加工的余量。刀具制造商Superion公司销售副总裁B.J.Grizzle表示，“对于钛合金铰削，我们推荐的材料去除余量是孔径尺寸的3%以下。通常，如果加工表面光洁度出现问题，那么我们就要考虑采用更小的切深。但是，必须非常小心，避免采用过小的切深而造成推挤工件材料的现象。你肯定会找到一个合适的中间值。”
JohnProsock机械公司的工厂经理ClaudeFarrington表示，在对钛合金医用接骨螺钉样品进行铰削加工时，加工车间发现，获得成功的要点是为钛合金铰削“留下尽可能小的加工余量”。该车间铰削铝或钢时，加工余量通常为0.28mm。而在铰削钛合金时，加工余量仅为0.013－0.025mm，并且采用了一种含有硫磺的重载加工用黑色切削油进行润滑和冷却。
在工件的对中性至关重要的加工场合，前序钻孔时为铰削预留的加工余量往往较大。在加工像钛合金这种材料时，对于标准铰刀而言，需要去除的加工余量可能太大。因此，可以采用钻铰刀或阶梯铰刀通过一次走刀完成扩孔和精加工。
需要使用冷却液
考虑到钛合金导热性差的特性，在切削时进行有效冷却至关重要。Amamco刀具公司的工厂经理PeterDiamantis说，“如果不使用某种冷却液，加工钛合金将非常困难。”
他指出，Amamco公司生产的钛合金铰刀的几何形状与加工其他金属材料的铰刀几乎完全相同，“但是，我们在钛合金铰刀中加入了冷却液孔，可以沿着切削圆周供给冷却液。”据冷却液生产商Cimcool公司介绍，加工钛合金时，水基冷却液效果非常不错，而可溶性切削油可以提供优异的润滑性能。钛合金供应商Timet公司表示，硫氯化润滑油看来是加工钛合金的最佳切削液，而水基乳化液的使用效果也非常不错，尤其是在加工较软的纯钛牌号时。
加工钛合金时，切削速度是产生切削热的主要因素。ToolAlliance公司副总裁兼销售经理JohnForrest说，“与加工许多冷作硬化现象严重的材料(如Inconel合金和一些奥氏体不锈钢合金牌号)一样，切削速度和切削热会使加工变得更加困难。在加工这些材料时，你需要采用刀具供应商推荐的切削速度范围的下限值，以及进给率范围的上限值。较高的切削速度会产生更多切削热，从而使切削更加困难，并造成冷作硬化。”
钛合金供应商SupraAlloys公司赞同这种评价。该公司认为，切削速度对刀尖温度的影响比任何其他单一变量都要大。在一个典型的加工案例中，当硬质合金刀具的表面切削速度从20sfm提高到150sfm时，刀尖温度则从427℃升高到927℃。另一方面，该公司表示，进给率对刀尖温度的影响远不如切削速度的影响大。在同一加工案例中，当进给率从0.05mm/r提高到0.5mm/r时，刀尖温度仅升高了150℃。
因此，如果加工车间希望提高钛合金铰削加工生产率，刀具制造商建议：采用推荐切削速度范围的下限值，并尽量提高进给率，直至出现表面光洁度变差、孔型变形和最终尺寸精度下降的情况，然后再降低进给率，直至这些问题消失为止。
关于切削速度和进给率的推荐值，刀具制造商强调，各种不同的钛合金其加工特性差别极大。纯钛的强度不如钛合金，但其在较低温度下耐化学腐蚀的能力使其在许多腐蚀性环境中特别有用。由于其结构强度较低，因此比钛合金牌号更容易加工。
另一方面，添加合金元素(尤其是钒和铬)后，可以提高钛合金的强度和抗疲劳强度，并要求降低切削速度。例如，某加工车间通常假定，加工一件Ti-6Al-4V工件所需的时间是加工一件钢件的3倍。而另一个加工车间表示，加工合金元素含量高的牌号(如Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)所需的时间通常是Ti-6Al-4V加工时间的2倍。
对于许多生产车间来说，加工钛合金是一种挑战。而进行铰削这种精加工进一步增加了难度。然而，有关钛合金的独特性能及其对切削刀具影响的知识，对于了解在加工这种奇妙的轻金属时应避免做哪些事情具有很大的帮助。然后，当我们清楚了“不能做的事情”后，就可以将“能做的事情”应用于钛合金铰削，以提高其生产率。
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