鈦及鈦合金的切削特性和切削策略

    鈦的比重大約是鋼的一半，而純鈦80000PSI和鈦合金180000PSI的強度，卻比很多合金鋼還要高。正是鈦的這個高的強度-重量比，使得它被設(shè)計者們廣泛地用于汽車、醫(yī)療、化學、細微組件和航空航天等領(lǐng)域。
 

鈦的彈性是鋼的兩倍，這使它特別適合用在需要材料柔韌性來防止產(chǎn)生開裂和裂縫的場合。另外，鈦合金的耐腐蝕和氧化性能要優(yōu)于不銹鋼。
鈦合金的另外幾個性能也使它成為最難加工的幾大材料之一。當然，只要足夠了解它的特性，還是有辦法對它進行低成本的切削的。
多數(shù)的鈦合金是熱的不良導(dǎo)體，產(chǎn)生的切削熱不能有效通過工件散發(fā)，而往往聚集在切削區(qū)域附近。切削時產(chǎn)生的高溫-有時候能達到2,000°F（相當于1093°C）-能使刀尖崩刃或者變形，而變鈍的刀尖將產(chǎn)生更多的切削熱，從而加速刀尖的失效。切削溫度甚至有可能高到使鈦屑燃燒的程度。
切削過程中產(chǎn)生的切削熱，還在鈦的表面產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，這不但影響已加工表面的一致性，也將影響工件的幾何尺寸并嚴重降低工件的疲勞強度。
鈦合金成品的彈性，是人們喜歡的鈦合金成品的一個屬性，但彈性也使得重載加工時容易產(chǎn)生工件的撓曲和震動。在切削壓力的作用下，彈性的工件偏離原來的位置。因此，刀尖是在磨工件而不是切削工件，這在精加工時尤其明顯。這個摩擦的過程也產(chǎn)生熱量，而鈦的不良導(dǎo)熱性也使得加工條件更加惡化。 
 

因此，加工薄壁或者環(huán)狀的工件時，一般使用正前角的刀片。如果不使用正前角的刀片，切削力將會推開工件，使之產(chǎn)生傾斜，這將使加工尺寸很難達到預(yù)期。工件變形離開刀具時，將產(chǎn)生塑性變形，而不是彈性變形。這進一步提高了工件切削點的強度和硬度，使得原本適當?shù)那邢魉俣茸兊倪^大，迅速加劇刀具的磨損。
合金的種類決定了切削速度。純鈦的切削線速度可以達到180m/min，而韌性較好的β合金卻只能在30m/min左右。一般來說，合金中含的V和Cr越多，切削的線速度就越低。
盡管鈦合金的加工比鋼材要困難、復(fù)雜，鈦的切削力的大小也只比切削同硬度的鋼略微大一點。
鈦加工時，最容易產(chǎn)生的刀具磨損是后刀面磨損、月牙凹磨損和積屑瘤磨損。刀尖的月牙凹磨損通常產(chǎn)生在切削深度的位置，這多半是因為工件因為鑄造、鍛造、熱處理或者機械加工時候產(chǎn)生的硬化層造成的。
工件和刀具的材料發(fā)生化學反應(yīng)也是月牙凹磨損的重要原因之一。這通常發(fā)生在切削溫度達到800°C以上的時候，同時伴隨著擴散（工件和刀具間的元素互相滲透）現(xiàn)象。
相比之下，在加工時，刀片的前刀面上則容易產(chǎn)生鈦材料的沉積。前刀面產(chǎn)生的高溫和高壓，將沉積的鈦顆粒焊接在切削刃上，從而形成“積屑瘤”現(xiàn)象。這些顆粒在刀尖上停留短暫時間后，將會從刀尖上剝離，并帶走一部分的切削刀具的合金材質(zhì)。
最適合加工鈦的基材和涂層是亞微細顆粒基材和物理氣相沉積（PVD）的TiAlN涂層。PVD涂層又薄又光滑，加上足夠的殘余應(yīng)力，使得刀具能很好的防止甭刃和月牙凹的產(chǎn)生。同時，附著力優(yōu)良的PVD涂層，表面也很均勻，化學穩(wěn)定性相對以前的涂層也有所提升，因此能更好地防止積屑瘤的產(chǎn)生。

鈦和鈦合金的種類及對應(yīng)特性
鈦合金通常有四種：α、α/β、β和更新的鋁鈦合金。因為添加了特殊的合金元素，這些種類的合金都非常難加工。
α鈦是純鈦，很軟，可以高速加工，沒有任何加工難題。但是，因為它在強度和彈性方面沒有明顯優(yōu)勢，因而應(yīng)用范圍受到限制。
α/β相鈦合金是最常見的，其中TiAl6V4廣泛地應(yīng)用于航空產(chǎn)業(yè)特別是發(fā)動機中。其次應(yīng)用較廣的是醫(yī)療器械行業(yè)。這種合金很難加工，因為它的切屑對刀具有研磨作用，因而導(dǎo)致很短的刀具壽命。
β相鈦合金不具有α相鈦合金的韌性，而是有硬和脆的特點。因為組分中含有高百分比的V、Mo和Cr等元素，加工性能也很差。β鈦合金應(yīng)用越來越廣泛，因而帶來更多的加工難題。
鈦鋁合金非常難加工，但是卻具有更輕的重量和更高的強度。以前，它因為缺乏良好的韌性，應(yīng)用受到了限制。但是現(xiàn)在的材料學家們把它引進到了賽車引擎中來做氣門頂桿和推桿，也用于噴氣發(fā)動機中中的部件。

結(jié)語：
鈦及鈦合金的切削策略：
使用正的角度來保證最小的切削力、熱量和材料撓曲；
保持穩(wěn)定的進給以避免工件的硬化。刀具在切削是，切勿停止進給；
使用足量冷卻液來保證熱量被及時帶走，從而避免因為積蟹瘤破壞刀具；
保持刀尖鋒利。鈍的刀具會使熱量積累，從而導(dǎo)致刀具失效；
盡量在鈦合金軟的時候進行加工。因為鈦合金的顆粒在高溫下會有晶相轉(zhuǎn)變而加劇對刀具的研磨；
盡可能地使用大圓角的刀片甚至是圓刀片來進行加工，這可以將刀具的局部磨損減少到最低程度。