鈦合金因其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、低密度、耐腐蝕、抗疲勞以及顯著的高溫抗拉強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性等，已成為現(xiàn)代宇航、國(guó)防工業(yè)關(guān)鍵的支撐材料之一。鈦合金的密度只有鋼材  的1/2，但其強(qiáng)度卻高于鋼材（表 1）。正因?yàn)殁伜辖鹁哂腥绱藘?yōu)異的性能，世界鈦材需求量的 50% 來自航空工業(yè)，鈦合金也因此被譽(yù)為“空間金屬”，其應(yīng)用領(lǐng)域分布如圖 1 所示[1] 。在飛機(jī)制造業(yè)，鈦合金的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在高性能戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)構(gòu)件中所占的比重增長(zhǎng)幅度非常明顯，如在 F-16 戰(zhàn)機(jī)上鈦合金所占重量比僅為 3%，而在作為第 4 代戰(zhàn)機(jī)典型代表的 F-22 戰(zhàn)機(jī)中所占重量比高達(dá)41% [2] 。

然而鈦合金又是典型的難加工材料，導(dǎo)熱系數(shù)僅為鋼材的 1/7，為鋁合金的 1/30，切削過程刀 - 屑接觸區(qū)極小，單位面積上切削力大且熱量難以排出，切削溫度高，加之鈦合金冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重，化學(xué)活性高，切削狀態(tài)能夠和幾乎所有的刀具材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終導(dǎo)致刀具極易產(chǎn)生磨損破損，鈦合金的高效加工一直是航空工業(yè)面臨的重要制造難題[3] 。鈦合金航空整體結(jié)構(gòu)件大都為壁薄深腔結(jié)構(gòu)（圖 2），材料去除量大，大都在85% 以上，加工周期長(zhǎng)，加工過程中回彈現(xiàn)象嚴(yán)重，切削顫振現(xiàn)象頻發(fā)，更加重了刀具的沖擊載荷，與此同時(shí)，加工過程中讓刀誤差與加工變形問題突出，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量與加工效率的提高。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鈦合金加工刀具與工藝技術(shù)進(jìn)行了大量理論與試驗(yàn)研究，有力推動(dòng)了鈦合金加工質(zhì)量與加工效率的提高。本文對(duì)TC11鈦合金切削刀具技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，對(duì)加工工藝技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，歸納了制約鈦合金加工性能提升的瓶頸問題，闡明鈦合金切削加工刀具與工藝技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)。

鈦合金加工刀具技術(shù)

刀具是實(shí)現(xiàn)鈦合金高效高性能加工的關(guān)鍵因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞鈦合金加工的刀具基體材料、涂層材料以及刀具結(jié)構(gòu)開展了大量的研究工作，取得了諸多創(chuàng)新性的研究成果，促進(jìn)了鈦合金加工技術(shù)的進(jìn)步。

1、刀具材料與涂層材料

1.1 硬質(zhì)合金刀具材料

硬質(zhì)合金刀具材料加工性能優(yōu)異、性價(jià)比高，是目前鈦合金加工的主要刀具材料。硬質(zhì)合金刀具性能與晶粒尺寸密切相關(guān)，普通硬質(zhì)合金硬質(zhì)相粒度為幾 μm，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金平均粒度在 1.0~1.3μm，而超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金粒度達(dá) 0.5μm [4] 。當(dāng)硬質(zhì)合金的晶粒細(xì)化后，硬質(zhì)相尺寸減小，增加了硬質(zhì)相晶粒表面積和晶粒間的結(jié)合力，黏結(jié)相更均勻地分布 在其周圍，可以提高硬質(zhì)合金的硬度與耐磨性[5] 。數(shù)據(jù)表明，細(xì)晶粒硬質(zhì)合金相比較普通硬質(zhì)合金，硬度提高 1.5~2.0HRA，抗彎強(qiáng)度約提高600~800MPa [6] ，而當(dāng)硬質(zhì)合金中 WC硬質(zhì)相的晶粒尺寸小于 0.5μm，達(dá)到超細(xì)晶粒水平時(shí)，合金的抗彎強(qiáng)度增加 1 倍多（由平均 1600MPa 增加到4000MPa 以上），硬度也明顯增加（由89HRA 增加到大于 93HRA），耐磨性和刀具壽命大幅提高[7] 。因此具備高硬度與高強(qiáng)度“雙高”特性的超細(xì)硬質(zhì)合金刀具成為鈦合金這一典型難加工材料加工的首選刀具[8] 。

硬質(zhì)合金刀具的化學(xué)成分和黏結(jié)相對(duì)鈦合金切削性能同樣具有顯著影響，以 WC-TiC 或 TiC 為硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金刀具由于與鈦合金親和性較強(qiáng)，切削過程中極易發(fā)生溶解 - 擴(kuò)散磨損[9] ，因此并不適合于鈦合金切削；而 WC-Co 類硬質(zhì)合金刀具較為適合鈦合金加工[10] 。另外，TaC、NbC、Cr 3 C 2 和 VC 等稀有金屬碳化物的添加可進(jìn)一步提升超細(xì)晶 粒硬質(zhì)合金材料致密度，抑制晶粒異常長(zhǎng)大，有效提高刀具高溫硬度與高溫強(qiáng)度，從而降低鈦合金切削過程刀具磨損[11] 。Zhou 等 [12]通過調(diào)整 Co和 Ti 含量制備了不同梯度層厚度和晶粒尺寸的超細(xì)梯度硬質(zhì)合金刀具，并通過鈦合金高速切削試驗(yàn)指出Co10Ti3 基體材料具備更好的切削性能。

總體而言，硬質(zhì)合金刀具由于成本低廉，同時(shí)兼具較高硬度與韌性，更多地用于鈦合金中速和低速車削過程以及銑削等斷續(xù)切削過程[13] 。在兼顧效率、刀具壽命等情況下，硬質(zhì)合金刀具用于鈦合金加工時(shí)切削速度一般不宜超過 80m/min，當(dāng)切削速度過高時(shí)，高溫導(dǎo)致 Ti、Co 等元素不斷溶解 - 擴(kuò)散，并伴隨嚴(yán)重的黏結(jié)磨損與氧化磨損，最終引起刀具材料強(qiáng)度顯著降低，加速刀具失效[14] 。

1.2 刀具涂層材料

涂層硬質(zhì)合金刀具相比無涂層硬質(zhì)合金刀具可顯著降低鈦合金切削過程刀具磨損，提高刀具壽命[15] 。

根據(jù)涂層材料性質(zhì)，刀具涂層可分為“硬”涂層與“軟”涂層。“硬”涂層是指具有高的硬度與耐磨性的涂層材料，適用于鈦合金加工刀具的“硬”涂層材料主要有 TiA1N [16-17] 、TiCN [18] 、AlCrN、Ti 6 Al [19] 等，涂層工藝主要有物理氣相沉積法（PVD）、化學(xué)氣相沉積法（CVD）等[20] 。“軟”涂層主要指具有低摩擦系數(shù)的涂層材料，涂層本身起到自潤(rùn)滑作用，如 MoS 2 、WS 2 等，“軟”涂層的制備可采用溶膠 - 凝膠法[21] 。鈦合金加工硬質(zhì)合金刀具涂層結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了從單層到多層[22] 、從普通涂層到元素改性涂層以及納米涂層的發(fā)展[23] 。

用于鈦合金加工的新型刀具“硬”涂層材料不斷涌現(xiàn)，Chang 等[24]制備了 CrAlSiN 納米涂層硬質(zhì)合金刀具，涂層硬度可達(dá)傳統(tǒng) TiAlN 涂層的 1.3~1.4 倍，在 350m/min 的高切削速度下，CrAlSiN 涂層的刀具壽命達(dá)到 TiAlN 涂層刀具壽命的 4.2 倍；肖白軍[25]采用 AlCrN/AlTiSiN 多層納米涂層刀具進(jìn)行鈦合金切削，刀具壽命是無涂層硬質(zhì)合金刀具的 3.7倍，單涂層刀具的 1.6~2.0 倍。“軟”涂層材料方面，Lian 等[26]將 CrCN-WS 2 硬 / 軟復(fù)合涂層沉積在硬質(zhì)合金刀具表面，提高了刀具在干切削鈦合金時(shí)的切削性能。涂層結(jié)構(gòu)方面，Oganyan 等[27]比較了無涂層刀具與納米層結(jié)構(gòu)的 Ti-TiN-（Ti, Cr,Al）N 涂層、Zr-ZrN-（Zr, Cr, Al）N涂層刀具的鈦合金銑削性能，得出帶有納米涂層的刀具壽命比無涂層刀具壽命高 2.5~3 倍；Lü 等[28]在硬質(zhì)合金基體上制備了 Si 元素梯度分布的 TiAlSiN 涂層，相比較傳統(tǒng) TiAlN涂層硬度高 147%、附著力提高了300%，并且證明在切削鈦合金時(shí)，梯度 TiAlSiN 涂層的刀具壽命比非梯度 TiAlSiN 涂層高 75.4%。

1.3 超硬刀具材料

國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在探尋超硬刀具材料用于鈦合金加工，立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼（PCBN）以及聚晶金剛石（PCD）等超硬刀具均可用于鈦合金切削[29] 。從物理力 學(xué)性能來看，PCD 刀具硬度最高，達(dá) 8000HV，是硬質(zhì)合金的 5 倍以上；PCBN 硬度為 3000~5000HV，達(dá)到硬質(zhì)合金的 2 倍以上。PCD 刀具導(dǎo)熱性優(yōu)良，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá) 500W/（m·K）以上，是硬質(zhì)合金的 1.5~9 倍，其數(shù)值也遠(yuǎn)高于 PCBN 刀具。PCD 刀具熱膨脹系數(shù)較低，在切削加工中產(chǎn)生的切削熱容易散發(fā)，切削溫度較低，刀具不易產(chǎn)生大的熱變形，這一優(yōu)越的特性對(duì)于尺寸精度要求極高的精密加工極為重要；PCD 材料還具有較好的化學(xué)惰性，在加工過程中鈦合金不容易黏結(jié)在刀尖上而形成積屑瘤。CBN 硬度僅次于 PCD，熱穩(wěn)定性極好，在大氣中加熱至 1000℃也不發(fā)生氧化。PCBN 是由 CBN 顆粒和按照一定比例組成的金屬黏結(jié)劑或陶瓷黏結(jié)劑在高溫高壓條件下燒結(jié)而成的，它克服了單晶 CBN 各向異性的缺點(diǎn)[30] 。超硬刀具材料與典型硬質(zhì)合金刀具材料物理力學(xué)特性對(duì)比如表 2 所示[30-31] 。

Amin 等[32]的研究表明，當(dāng)采用1mm 軸向切深、32mm 徑向切深的大去除量切削鈦合金時(shí)，PCD 刀具穩(wěn)定切削速度可以達(dá)到 120~160m/min。Lindvall [33] 、Ren [34] 等研究了PCD 和 PCBN 刀具高速連續(xù)車削Ti-6Al-4V 合金時(shí)的性能和磨損機(jī)制，發(fā)現(xiàn) PCD 刀具切削加工鈦合金在刀具壽命方面優(yōu)于 PCBN。

總體而言，涂層硬質(zhì)合金刀具是目前企業(yè)進(jìn)行航空鈦合金結(jié)構(gòu)件加工的首選刀具，然而鈦合金加工過程刀具損耗嚴(yán)重、加工效率偏低、加工成本高的問題依然突出，仍需要硬質(zhì) 合金刀具材料技術(shù)與制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，從而降低刀具成本，提高加工效率。超硬材料刀具更適合于鈦合金高質(zhì)量加工與高速精密加工，但是超硬刀具材料價(jià)格高，工程化應(yīng)用

受到高昂刀具成本的制約。

2、刀具結(jié)構(gòu)

刀具結(jié)構(gòu)對(duì)刀具鈦合金的切削性能和刀具壽命均產(chǎn)生重要影響，隨著刀具設(shè)計(jì)理論和制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新型刀具結(jié)構(gòu)用于鈦合金加工。

2.1 非對(duì)稱分布刀具結(jié)構(gòu)

鈦合金彈性模量低，加工極易產(chǎn)生切削顫振，采用非對(duì)稱分布的刀具結(jié)構(gòu)是解決切削顫振問題的有效途徑之一。通過改變刀齒分布形式可以得到非對(duì)稱分布結(jié)構(gòu)銑刀，包括變螺旋角銑刀和變齒距銑刀。皇攀凌等[35]設(shè)計(jì)了變齒距、變螺旋角與變槽深結(jié)構(gòu)刀具，并研究了不同刀具結(jié)構(gòu)加工鈦合金時(shí)切削力和振動(dòng)的變化規(guī)律，其研究結(jié)果表明螺旋角39°、齒間角 83°~97°的變齒間角銑刀切削合力與銑削振動(dòng)較小，最終得到了適用于Ti-6Al-4V鈦合金加工的變齒距立銑刀刀具結(jié)構(gòu)與優(yōu)化的切削參數(shù)。Shaharun 等[36]指出同時(shí)具有變螺旋角（48°~53°）與變齒間角（60°~107°）的銑削刀具在切削鈦合金過程中具有更好的減振效果。

非對(duì)稱分布刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法主要是通過動(dòng)力學(xué)建模與穩(wěn)定極限圖求解進(jìn)行切削穩(wěn)定性與刀具結(jié)構(gòu)匹配，最終實(shí)現(xiàn)抑振或消除切削顫振，提高加工效率[37] 。

2.2 刀具角度與刃口結(jié)構(gòu)

刀具角度、刀齒分布形式及刃口結(jié)構(gòu)是刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。多數(shù)研究工作集中于建立刀具角度與切削力及切削振動(dòng)映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化 [38-39] 。刃口結(jié)構(gòu)包括刃口形式與切削刃鈍圓半徑，刃口結(jié)構(gòu)的選擇與加工工況密切相關(guān)。劉月萍[40]基于鈦合金切削仿真研究了倒棱刃、消振棱、白刃分別與鈍圓組合的硬質(zhì)合金刀具刃口結(jié)構(gòu)對(duì)切削力和溫度的影響，結(jié)果表明鈍圓半徑 0.02~0.025mm、倒棱刃寬度 0.06mm 的刃口復(fù)合結(jié)構(gòu)可以得到最低切削溫度。Araujo等[41]通過鈦合金銑削試驗(yàn)研究了刀具刃口半徑與前角對(duì)切削力和表面質(zhì)量的影響，給出了優(yōu)化的刀具幾何參數(shù)，并指出具有倒棱刃的 PCD 刀片相比較于圓弧刃有更長(zhǎng)的刀具壽命。姜振喜 [42]基于 TC4-DT 鈦合金力學(xué)性能，設(shè)計(jì)了具有仿生學(xué)原理的特殊槽型和微刃立銑刀，通過抑制切屑鋸齒化，有效地減小了切削力及其波動(dòng)范圍，降低了硬質(zhì)合金刀具切削振動(dòng)和切削溫度，得到較小的表面粗糙度，如圖 3 所示[42] 。田汝坤 [43]根據(jù)鈦合金結(jié)構(gòu)件難加工的特點(diǎn)，以前角、后角和螺旋角為因素，利用有限元軟件進(jìn)行仿真，研究了刀具結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)件加工變形的影響并優(yōu)選出適合加工鈦合金結(jié)構(gòu)件的硬質(zhì)合金刀具結(jié)構(gòu)。Zhu 等[44]提出了適用于鈦合金 - 鋁合金疊層材料鉆削的新型多尖刃鉆頭、階梯刃鉆頭以及雙錐角鉆頭，其中雙錐角鉆削刀具與其他刀具相比軸向力更小，平均切削溫度更低，且刀具磨損較小，如圖 4 所示[44] 。

2.3 特定加工需求的刀具

針對(duì)輪廓或簡(jiǎn)單型腔結(jié)構(gòu)鈦合金加工，山高公司開發(fā)了專用的玉米式銑刀，刀具直徑 D 為 32~80mm，切深可達(dá) 0.8D~2D [45] ，實(shí)現(xiàn)大切深、大切寬強(qiáng)力銑削，極大地提高了切削效率，降低了切削成本；針對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)件狹窄槽腔的幾何特征，山高公司開發(fā)了 JCO710 波紋銑刀，可獲得較長(zhǎng)的刀具壽命，適合大軸向切深鈦合金的高效粗加工；三菱材料公司專為鈦合金葉輪葉片的高效精加工而設(shè)計(jì)了一種新型六刃錐形圓桶球頭銑刀，可以在保持加工表面質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效加工；三菱 CoolStar 系列整體立銑刀，將眾多冷卻液孔分布在刀具結(jié)構(gòu)上，最大程度發(fā)揮切削液的冷卻作用，提高加工穩(wěn)定性[46]；此外，三菱 VFX 系列玉米銑刀，其外圓周刃可加工側(cè)面和臺(tái)階面的立面，底刃可加工平面，大幅提高了切削用量和加工效率，切削速度可達(dá) 55m/min，進(jìn)給量0.12mm/tooth，徑向切深 10~45mm，軸 向 切 深 25~60mm，以 直 徑 為63mm 為例，最大金屬去除量可達(dá) 400cm 3 /min [47] ；Helical 公司研發(fā)了適用于鈦合金加工的 HXF 系列多齒硬質(zhì)合金刀具，齒數(shù)達(dá) 7~14 齒，通過增加刀齒數(shù)，減小每個(gè)刀齒切削載荷的同時(shí)有效提高切削效率。上述鈦合金加工專用刀具如圖5所示。

1.3 刀具深冷處理技術(shù)

研究表明，切 削 刀 具 在 -80~-196℃的低溫下進(jìn)行深冷處理 24~40h，可以改善刀具切削性能，提高刀具壽命[48] 。Strano 等 [49]通過試驗(yàn)研究了 -196℃液氮低溫處理的涂層硬質(zhì)合金刀具切削性能，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過低溫處理的刀具基體與涂層材料硬度分別增加 7% 與 11%，當(dāng)切削鈦合金速度在 62~79m/min 時(shí)，刀具壽命可以提高 9%~30%。Sivalingam 等[50]研究了 TiAlN/NbN 涂層硬質(zhì)合金刀片在 24h 與 48h 液氮深冷處理后的鈦合金銑削過程中刀具磨損過程，與未經(jīng)深冷處理的刀片相比，在經(jīng)過 48h和 24h 低溫處理的刀片磨損分別降低了 12%~23% 和 4%~11%，并同時(shí)觀察到了切削力和切削振動(dòng)的降低。

綜合結(jié)果表明，在相同的工作條件下，深冷處理刀具具有更好的加工性能和更長(zhǎng)的刀具壽命。

鈦合金加工工藝技術(shù)

1、鈦合金加工工藝優(yōu)化

目前鈦合金的切削加工工藝主要以車削、銑削和鉆削為主，航空鈦合金結(jié)構(gòu)件加工以銑削為主。車削加工時(shí)切削溫度較高，刀具壽命低，大部分的研究致力于選用合適的切削液和工藝參數(shù)降低切削溫度。鈦合金銑削加工時(shí)，由于加工過程中循環(huán)熱力載荷的作用，使得切屑與刀刃容易黏結(jié)，刀具磨損嚴(yán)重，大部分的研究通過工藝參數(shù)優(yōu)化減小刀具磨損，提高加工表面質(zhì)量。鉆削加工時(shí)容易導(dǎo)致鉆頭燒結(jié)、卡鉆甚至折斷等問題，鉆孔質(zhì)量差，多采用超聲輔助、改善加工環(huán)境等方法提高鈦合金鉆削的切削加工性。因此，合理的加工 參數(shù)選擇對(duì)保證鈦合金加工質(zhì)量、降低加工成本、提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

常見的切削加工參數(shù)優(yōu)化方法大多基于田口法[51-52] 、響應(yīng)曲面法 [53]等設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以減小實(shí)際試驗(yàn)組數(shù)，通過不同的分析方法，如方差分析、回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法、蟻群優(yōu)化、粒子群優(yōu)化算法等，建立單、多因變量的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)單一或多目標(biāo)的加工參數(shù)優(yōu)化，獲取最佳工藝參數(shù)組合。Jiang 等[54]通過正交試驗(yàn)研究了干切削、潤(rùn)滑液切削與微量潤(rùn)滑（Minimum quantity lubrication,MQL）切削等不同冷卻潤(rùn)滑條件下切削參數(shù)對(duì)鈦合金銑削表面粗糙度的影響，并通過多項(xiàng)式回歸擬合指出表面粗糙度值 R a 對(duì)每齒進(jìn)給量和軸向切深更敏感，相比較來說，R a 對(duì)切削速度和徑向切削深度不敏感。Gupta 等[55]應(yīng)用響應(yīng)曲面法和粒子群優(yōu)化技術(shù)，在 MQL 環(huán)境下，對(duì)鈦合金切削工藝參數(shù)進(jìn)行多響應(yīng)優(yōu)化。另外，可以借助切削仿真進(jìn)行工藝優(yōu)化，建立切削過程有限元模型并對(duì)加工參數(shù)的選取提供指導(dǎo)[56] ，既節(jié)省了試驗(yàn)成本又能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)目標(biāo)的優(yōu)化分析。

通過目前的研究可以看出，在切削加工參數(shù)優(yōu)化中，優(yōu)化分析大都以單一目標(biāo)提出最優(yōu)加工參數(shù)方案，但從機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、刀具壽命、生產(chǎn)成本等多目標(biāo)出發(fā)的優(yōu)化參數(shù)方案獲 取方面的研究還存在一定的局限性。

2、鈦合金綠色加工技術(shù)

由于鈦合金的難加工性，傳統(tǒng)的鈦合金切削加工需應(yīng)用大量的切削液，環(huán)境污染嚴(yán)重，能源消耗較大。綠色高效切削加工鈦合金工藝受到越來越多的關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外常用的鈦合金綠色加工工藝可分為綠色冷卻技術(shù)和綠色潤(rùn)滑技術(shù)。其中綠色冷卻技術(shù)有低溫輔助冷卻切削（液氮、CO 2 ）[57] 、低溫空冷切削 [58] 、高壓冷卻切削[59-60]等。研究表明， 與干切削和切削液切削相比，利用液氮和 CO 2 進(jìn)行低溫冷卻輔助切削可將切削溫度分別降低 50% 和15%~47% [61] ，同時(shí)在試驗(yàn)條件下刀具壽命可提高 16%~100% [62-63] ，表面粗糙度可降低 31%~39% [64] 。高壓冷卻切削主要是在切削液噴射過程中加入壓力，提高對(duì)流換熱系數(shù)從而降低切削溫度，與干切削相比，可提高刀具壽命 55%~60% [60] 。Jamil 等[65]通過 CO 2 -snow 與液氮冷卻的鈦合金車削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相比較于液氮冷卻，CO 2 -snow 具有更好的冷卻效果，刀具磨損、切削力、表面粗糙度總體更小。

綠色潤(rùn)滑技術(shù)有噴霧射流潤(rùn)滑（Atomization-based cutting fluid,ACF）[66] 、MQL [67-69] 、水蒸氣冷卻潤(rùn)滑[70]等。噴霧射流技術(shù)是利用高速氣體將潤(rùn)滑液分散成均勻大小的液滴，形成聚焦的射流進(jìn)入刀屑接觸區(qū)，實(shí)現(xiàn)冷卻潤(rùn)滑的效果。研究表明，噴霧射流技術(shù)應(yīng)用于鈦合金切削中可有效提高刀具壽命[71] 。MQL 技術(shù)能在最小切削液用量的條件下實(shí)現(xiàn)最大潤(rùn)滑效果，該技術(shù)利用高壓將少量切削液噴射至切削區(qū)域，在降低切削溫度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較好的潤(rùn)滑效果，從而達(dá)到可持續(xù)、低成本切削的目的[72] 。水蒸氣冷卻潤(rùn)滑是通過水蒸氣與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成的多維金屬氧化邊界潤(rùn)滑層，增加了潤(rùn)滑效果，從而降低切削力、提高刀具壽命[73] 。Jamil 等 [74]提出采用乙醇 - 脂類油 - 干冰混合進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑可以降低切削過程摩擦力。

近 年 來，研 究 人 員 將 納 米 顆粒混合在冷卻介質(zhì)中，借助納米顆粒的高導(dǎo)熱性和潤(rùn)滑性提高切削加工中的冷卻和潤(rùn)滑效果，從而降低切削溫度和切削力，減少刀具磨損，以此提出一系列新的冷卻潤(rùn)滑技術(shù)。納米顆粒包括 SiO 2 、SiC、碳 納 米 管（CNTs） 、Al 2 O 3 [75] 、石 墨 烯[76] 、氧 化 石 墨 烯 [77-78] 、石墨等[79] 。Li 等 [76]將石墨烯混合在植物油中進(jìn)行鈦合金銑削，通過對(duì)切削力、切削溫度和表面完整性等銑削特性的對(duì)比，得出石墨烯添加劑可以提高銑削區(qū)油膜的冷卻和潤(rùn)滑性能，能有效改善材料的銑削性能。Yi等[78]在鈦合金鉆削加工中將氧化石墨烯混合于切削液中，有效地改善了切削液的潤(rùn)滑作用，獲得了更好的鉆孔表面，切削力減小了 17.21%。將納米顆粒流體與 MQL 技術(shù)相結(jié)合，并通過參數(shù)優(yōu)化，能夠充分發(fā)揮納米顆粒的導(dǎo)熱與潤(rùn)滑作用[80-81] ，如圖 6所示[80] 。Bai 等 [75]以花生油為基體進(jìn)行了鈦合金銑削試驗(yàn)，探索 6 種不同的納米流體（Al 2 O 3 、SiO 2 、MoS 2 、CNTs、SiC、石墨）對(duì)鈦合金加工的影響，得出 Al 2 O 3 和 SiO 2 納米流體對(duì)切削液的潤(rùn)滑作用提高最多。此外，Singh 等[82]將 Ranque-Hilsch 渦流管引入 MQL 冷卻系統(tǒng)，通過純鈦切削加工證明了相比于傳統(tǒng) MQL 具有降低刀具磨損的效果。

由于鈦合金綠色加工技術(shù)涉及傳熱學(xué)、摩擦學(xué)、流體力學(xué)等多學(xué)科的交叉融合，目前鈦合金綠色加工技術(shù)的研究多停留在試驗(yàn)階段，其具體的綠色加工機(jī)理的研究較少。因此 需要深入分析切削液與刀具、工件、切屑間的冷卻、潤(rùn)滑作用機(jī)理，提出針對(duì)不同需求的綠色加工工藝，實(shí)現(xiàn)鈦合金綠色高效加工。

鈦合金結(jié)構(gòu)件切削加工顫振

1、鈦合金結(jié)構(gòu)件切削加工顫振分析與穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

TC11鈦合金結(jié)構(gòu)件弱剛性特征導(dǎo)致加工顫振問題尤為突出，加工過程顫振分析與穩(wěn)定性預(yù)測(cè)引起學(xué)術(shù)界與工程界的廣泛關(guān)注。Ma é 等[83]通過主軸組件速度相關(guān)的動(dòng)態(tài)行為建模研究，建立了考慮主軸 - 刀具 - 薄壁工件動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)力學(xué)模型，并驗(yàn)證了其在銑削穩(wěn)定性預(yù)測(cè)中的正確性。梁睿君等[84]針對(duì)弱剛性薄壁零件頻響特點(diǎn)與高階動(dòng)態(tài)特性，研究了 多自由度銑削動(dòng)力學(xué)建模方法并提出無顫振穩(wěn)定切削參數(shù)閾值。Wang等[85]針對(duì)薄壁件銑削過程時(shí)變動(dòng)態(tài)特征與多模態(tài)耦合特征提出一種多模態(tài)動(dòng)力學(xué)建模方法，從而進(jìn)行銑削 穩(wěn)定性預(yù)測(cè)。

目前鈦合金結(jié)構(gòu)件切削加工顫振分析與穩(wěn)定性預(yù)測(cè)研究工作主要分為兩方面，一方面集中在發(fā)展傳統(tǒng)穩(wěn)定性極限圖模型，從二維向多維演變；另一方面，充分考慮薄壁結(jié)構(gòu)切削過程時(shí)變動(dòng)力學(xué)特性與非線性特性并集成在動(dòng)力學(xué)建模中，以提升顫振穩(wěn)定性預(yù)測(cè)精度[86] 。

2、鈦合金結(jié)構(gòu)件切削加工顫振抑制

鈦合金結(jié)構(gòu)件切削顫振抑制主要包括增強(qiáng)系統(tǒng)剛度特性、阻尼特性和工藝優(yōu)化等。

（1）增加切削系統(tǒng)的剛度或者阻尼。

Kolluru 等[87]提出將分散的質(zhì)量體作為粘彈性層附置于大型薄壁零件上，這種表面阻尼方法可以有效地抑制這一工況的加工振動(dòng)（圖7）。Wan 等[88]提出在薄壁件上附加質(zhì)量塊，并通過數(shù)值計(jì)算附加質(zhì)量塊的工件模型模態(tài)參數(shù)，結(jié)合計(jì)算結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量分布優(yōu)化，最終提高薄壁件切削穩(wěn)定性（圖 8）。Yang 等[89]通過將單自由度被動(dòng)阻尼器集成在銑刀內(nèi)部，設(shè)計(jì)了一種適用于加工深腔和深孔特征的阻尼銑刀，并通過試驗(yàn)證明了阻尼銑刀在長(zhǎng)徑比為 8 的情況下可以減小 75% 的切削振幅。

調(diào)諧質(zhì)量吸振器是一種常被用來附加于工件之上以增加工件被動(dòng)阻尼進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工振動(dòng)抑制的裝置。

調(diào)諧質(zhì)量吸振器的工作原理為能量消耗，由質(zhì)量塊、彈簧和阻尼原件組成[90] 。此外，通過切削過程中采集的振動(dòng)和切削力等信號(hào)進(jìn)行顫振實(shí)時(shí)判斷，并利用磁流變液[91] 、壓電陶瓷[92]等智能材料開發(fā)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)施加外部載荷制動(dòng)從而主動(dòng)抑制顫振的方法同樣能夠有效提高切削穩(wěn)定性，Butt 等[93]通過在機(jī)床主軸上安裝非接觸渦流阻尼，實(shí)現(xiàn)了薄壁葉片類零件銑削抑振，并驗(yàn)證了其阻尼可控性與復(fù)雜切削路徑的適應(yīng)性。主動(dòng)方法雖然可獲得較好的顫振抑制效果，但主動(dòng)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，穩(wěn)定性不足。

合理的輔助支撐可以加固工件薄弱環(huán)節(jié)，提高薄壁件切削系統(tǒng)剛度，有利于抑制切削振動(dòng)和減小加工變形，從而提高加工質(zhì)量和加工效率。目前，輔助支撐加工方法主要包括填充物輔助支撐以及工裝輔助支撐等。填充物輔助支撐通過在容器中或薄壁框內(nèi)添加填充材料，如相變材料、低熔點(diǎn)合金、石蠟等，以達(dá)到增強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)加工剛度的目的。葛茂杰 [94]利用石蠟填充進(jìn)行鈦合金薄壁件腹板和側(cè)壁的銑削，提高了加工穩(wěn)定性，減小了加工變形。Liu 等[95]通過比較有無氣射流輔助支撐的 Ti-6Al-4V 薄壁零件銑削動(dòng)力學(xué)特性，證明了氣射流輔助支撐可以提高切削穩(wěn)定性并降低切削力，從而改善表面質(zhì)量并減小零件變形。

（2）優(yōu)化刀具參數(shù)和切削參數(shù)。

賈興民[96]針對(duì)鈦合金腹板切削易振動(dòng)問題，基于銑削系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分析了抑制腹板振動(dòng)的策略，在保證加工效率的前提下，從刀具結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行了抑制鈦合金腹板振動(dòng)的刀具底刃開發(fā)設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化切削參數(shù)同樣可以起到提高鈦合金結(jié)構(gòu)件切削過程穩(wěn)定性的作用。李紅衛(wèi)等[97]通過對(duì)薄壁鈦合金零件加工動(dòng)力學(xué)分析，建立了以顫振幅值為約束條件，材料去除效率為目標(biāo)的切削參數(shù)優(yōu)化函數(shù)。Tunc 等[98]研究了刀具后角、后刀面幾何結(jié)構(gòu)等刀具參數(shù)以及徑向切削深度等切削參數(shù)對(duì)切削過程阻尼影響規(guī)律，指出具有圓弧過渡的后刀面相比較平面型后刀面可以增加切削過程阻尼特性，提高切削穩(wěn)定性。此外，加速切削法與調(diào)速切削法也被認(rèn)為可以有效抑制切削顫振[99-100] 。

復(fù)合能場(chǎng)鈦合金加工新技術(shù)

除了傳統(tǒng)的鈦合金切削加工研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞超聲、激光等多能場(chǎng)鈦合金復(fù)合加工進(jìn)行了相關(guān)研究。

1、超聲振動(dòng)輔助加工

超聲振動(dòng)輔助加工（UltrasonicVibration assisted machining， UVAM）技術(shù)指的是在切削過程中，給刀具或者工件施加特定方向上的超聲頻段的微米級(jí)振動(dòng)，從而達(dá)到降低切削力、提高加工表面質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命的目的[101] 。

將超聲振動(dòng)應(yīng)用于鈦合金的銑削加工過程研究較少，近幾年才引起學(xué)者的關(guān)注。Ni 等[102]提出了一種用于分析超聲振動(dòng)輔助銑削過程中刀具與工件接觸率的解析模型，通過試驗(yàn)研究加工參數(shù)對(duì) Ti-6Al-4V 超聲振動(dòng)輔助加工性能的影響、結(jié)果表明，UVAM 方法在降低切削力、提高工件表面質(zhì)量、抑制毛刺形成等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

與常規(guī)銑削相比，Tong 等[103]的研究表明薄壁鈦合金銑削過程中的超聲振動(dòng)輔助加工可以降低切削力，提高表面質(zhì)量以及減少振紋的產(chǎn)生。Liu [104] 、Han [105] 等通過對(duì)超聲橢圓振動(dòng)輔助 Ti-6Al-4V 高速銑削研究，證明橢圓振動(dòng) UVAM 具有延長(zhǎng)刀具壽命、產(chǎn)生更短更薄的切屑、并在合適的參數(shù)水平下降低切削力的作用。此外，這種方法還產(chǎn)生了更高的殘余壓應(yīng)力，但是對(duì)于表面粗糙度來說，僅有合適的超聲參數(shù)與切削參數(shù)匹配才能獲得更低的表面粗糙度數(shù)值，大部分情況下，超聲橢圓振動(dòng)輔助加工鈦合金會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，如圖 9 所示[105] 。

2、激光輔助加工

激光輔助加工（Laser-assistedmachining，LAM）通過引入高能量密度的激光源，對(duì)切削區(qū)域待加工部位的材料進(jìn)行局部加熱，改變材料切削性能，從而達(dá)到降低切削力、提高 切削效率的目的[106] 。激光輔助加工技術(shù)在 20 世紀(jì) 70 年代提出，大多用于高硬度、高脆性材料，如工程陶瓷、工具鋼等。鈦合金激光輔助切削加工技術(shù)目前研究較少，主要集中在切削力方面。Dandekar等[107]研究了 TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具 LAM 鈦合金 Ti-6Al-4V 的加工性能，切削速度可達(dá)200m/min，相比于傳統(tǒng)加工手段，刀具壽命提升 2~3 倍。Bermingham 等[108]認(rèn)為，硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行鈦合金高速車削時(shí)，刀具的黏結(jié)磨損與擴(kuò)散磨損機(jī)制占主導(dǎo)地位，輔助加熱切削雖然可以降低切削力，但溫度升高的同時(shí)對(duì)刀具壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響；但在銑削等斷續(xù)加工過程中，刀具破損占主導(dǎo)地位，加熱輔助切削會(huì)對(duì)刀具壽命帶來有益的影響。高延峰等[109]通過試驗(yàn)證明了激光輔助銑削鈦合金有助于減小材料剪切抗力，同時(shí)指出切屑向連續(xù)型演變，絕熱剪切帶變得不再明顯。

目前，對(duì)于鈦合金 LAM 中切削機(jī)理的研究較少，LAM 是一項(xiàng)復(fù)雜的多能場(chǎng)復(fù)合加工技術(shù)，高溫下的材料摩擦行為與分離規(guī)律需要進(jìn)一步的研究，高溫下刀具磨損機(jī)理也需要深入揭示。

結(jié)論

鈦合金結(jié)構(gòu)件加工過程面臨材料與結(jié)構(gòu)難加工性的雙重挑戰(zhàn)，目前 PCD、PCBN 刀具雖然可以用于鈦合金高速切削，但存在成本高、耐沖擊性不足的缺點(diǎn)，硬質(zhì)合金刀具仍然是鈦合金結(jié)構(gòu)件加工的主力刀具。但是硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金刀具損耗嚴(yán)重，效率不足，需要大量使用切削液，與綠色加工趨勢(shì)相違背，工業(yè)界對(duì)鈦合金加工新型刀具材料、涂層材料以及刀具結(jié)構(gòu)的需求永無止境，我國(guó)在該領(lǐng)域與國(guó)外技術(shù)水平還存在一定的差距，特別是高端刀具領(lǐng)域，需進(jìn)一步加強(qiáng)研發(fā)力度。工藝優(yōu)化方面，綜合考慮加工質(zhì)量、刀具壽命、生產(chǎn)成本等多目標(biāo)優(yōu)化方案尚需系統(tǒng)研究，不同冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)在刀具、工件、切屑中的耦合作用機(jī)理仍然需要深入揭示，從而避免工藝方案制定與切削液選用的盲目性，為實(shí)際生產(chǎn)提供切實(shí)指導(dǎo)。總體來說，鈦合金加工是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，還涉及機(jī)床、夾具等，目前鈦合金難加工屬性并未改變，亟待通過變革性的工藝進(jìn)步，突破鈦合金結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量與加工效率提升的瓶頸難題，推動(dòng)航空制造技術(shù)進(jìn)步。

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