新型高强度TB18钛合金切削刀具技术研究

1 、引言

钛合金具有比强度高、耐腐蚀性能和低温性能好及热强度高等优点，是航空航天工业中广泛使用的材料 ［1］。 国内航空、航天及军工等行业已经开展了对钛合金材料高速铣削的研究和应用，加工零件以结构件 为主，主要解决加工效率和刀具耐用度的问题［2］。

TB18钛合金是西部超导公司与国内高校、科研院所合作开发的一种新型近β钛合金，其名义成分为 Ti⁃5Al⁃5Mo⁃5V⁃6Cr⁃1Nb⁃0.5Fe，经热处理后该合金的断裂韧性与传统高强度合金保持同一水平，但静强度更高 ，同时具有良好的淬透性［3］。 该材料的特点是高强度（1300MPa）、高黏性和高韧性，比常用的TC4、 TC18、TC21 材料的可加工性更差。 由于目前国内外缺少对该材料的加工刀具和切削技术的针对性研究，市 场上暂无合适的加工 TB18钛合金高效切削刀具，严重制约TB18材料的加工效率。

本文从 TB18钛合金的铣削和钻削两类典型刀具出发，开展刀具的结构选型和切削参数试验研究，改进 刀具结构，制定粗、精加工最优刀具选用方案，并进行试验验证，达到提升 TB18钛合金加工效率、提高刀 具使用寿命的目标。 该研究为 TB18新型钛合金材料的切削加工提供了一定的参考。

2、 TB18 材料切削加工问题分析

由于新型超高强度钛合金材料 TB18的化学成分中金属元素Mo，Cr，V以及稀有元素Nb的存在，使 TB18 钛合金材料相对于常用TC4，TC18，TC21钛合金的可加工性能极差，尤其在热处理后材料抗拉强度达到σ_ｂ ＝ 1315MPa 时。 对 TB18钛合金材料（热处理后） 的切削性能开展研究，根据粗、精加工选取不同类型的 通用钛合金刀具进行试验，刀具的切削参数及刀具使用寿命见表 1。

与常用的TC4、TC18、TC21 材料切削过 程对比，铣削、钻削 TB18材料时主要面临的问题有：

①铣削加工刀具（可转位刀片式快进给、整硬合金铣刀等通用机械加工刀具）磨损快，易崩裂，刀具寿 命极低。 同等切削条件下与加工常用钛合金的刀具寿命相比，粗加工快进给铣刀片寿命缩短了50％~80％ ，精加工整硬合金铣刀寿命缩短 67％～83％ 。 经分析，刀具失效方式为月牙洼、积屑瘤导致的快速烧蚀 和崩刃（见图 1）。

②钻削加工时材料难以断屑（见图 2），刀具刃口切屑黏结且容易崩刃，U钻（ ϕ20mm） 加工孔深９0mm 的内孔需要更换三次刀片才能完成，刀片寿命短，使用过程需频繁更换，加工效率极低。

③铣削加工效率更低。 粗加工快进给铣刀切削线速度为 20~30m/min，为常用钛合金加工刀具的30％ ，进给速度 150~400mm/min，为常用钛合金加工刀具的 25％~30％ ，加工效率大幅降低，精加工整硬合金 铣刀的加工工艺参数也远低于常规钛合金刀具。

通过试验发现，导致加工 TB18材料的各类刀具失效的主要形式为刀具快速磨损和烧蚀。 经初步分析， 与通用钛合金相比，TB18材料具有更高的黏性，极易产生切削热，且由于加工过程未得到充分冷却，加剧了 刀具的黏结和烧蚀，造成刀具失效。

3、 试验研究

3.1 试验方案

为了提高 TB18材料的加工效率与刀具寿命，针对不同的加工工况开展刀具选型试验，以提高加工效率 和刀具寿命为目标，优化刀具结构，并通过试验确定加工工艺参数。

3.1.1 铣削工序粗加工

在使用大直径φ80mm、主偏角 12°的快进给铣刀进行粗加工时，做出以下改进：①为提高刀片寿命， 降低切削刃与工件的接触面积，将原有快进给刀具7°的主偏角增加为9°；②为解决材料高黏、刀具易烧蚀 问题，优选牌号 2000Ti新型切削液，减小铣削过程中的切削热；③为避免切削抗力大造成毛料振动过高、 刀片崩碎情况的发生，调整刀具轴向前角为11°，径向前角为6.5°，保证切削过程稳定。

3.1.2 铣削工序精加工

以原先试验使用的φ25mm硬质合金立铣刀为例，由于TB18钛合金的高强、高黏特性，试验过程中极易产 生刀具振动以及大量切削热，为避免刀具失效，提高精加工效率，本文对传统刀具进行结构改进，设计了密 齿前波刃整体硬质合金铣刀（见图 3）。

具体改进为：①通过公式 F＝fz×N×Z可以看出，在进给速度不变的情况下，增加齿数可以减小每齿进 给量，延长刀具寿命，因此将齿数从 4 齿更改为 6齿；②为了增强断屑能力，将前刀面变为前波刃刀具结 构；③选择Co含量为 10％ 的整体硬质合金材料，以平衡刀具的韧性和耐磨性；④选用AlTiN基多层涂层增 加刀具的耐磨性；⑤设计多孔内冷结构，加强冷却效果，减小切削热。

3.1.3 钻削加工

由于 TB18钻孔时高黏、高强钛屑不易排出，冷却无法及时到达切削部位，刀尖易烧伤崩齿，甚至刀体 断裂。 根据上述加工特点，以直径 20mm为区分，拟进行如下技术选型和设计优化。

对于 Ｄ≤20mm的孔加工：①采用整体硬质合金钻头（见图 4），钻头采用双刃带设计，提高刀具的稳 定性；②刀体排屑槽螺旋角采用 12°结构设计且齿槽抛光处理，减少钛屑与刀体接触面，降低摩擦，减小 切削热；③加大倒锥度为 0.25/100，减小钻头与孔壁的摩擦；④加大内冷孔，提高冷却效果和排屑能力； ⑤优选 ＡｌＣｒＺｒ 基涂层增加刀具的耐磨性。

对于Ｄ>20mm的孔加工：①采用可转位U钻，刀片采用复合涂层，增加刀片耐磨性；②配备12bar以上冷 却液压力，提高切削冷却效果；③孔加工方式选用切削量逐层递减的切削方式，前1/3孔深处加大每齿进给 量，提高加工效率，后2/3采用逐层递减，提高耐磨性；④周边刀片和中心刀片采用不同材质，所用中心刀 片能够实现逐步进刀方式，达到切削力均匀分布；周边刀片采用Wiper技术，以提高孔壁质量（见图 5）。

3.2 试验结果

采用快进给铣刀在 5Ａ3Ｐ 重型切削机床上进行铣削试验，优化后的刀具可适应更大的每齿进给量，对 切削加工参数进行优化后，切削效率和刀具寿命均有所提升（见表 2）。 优化后刀具的切削线速度可达 40m/min，刀具的断屑效果、切削力和振动等均得到明显改善（见表 3）。优化后的硬质合金钻头寿命由原 来的 15min 提升到 60min，孔壁比原先更光滑（见表 4）。 优化后的U钻寿命从 20min/把提升至 50min/ 把，是原先的2.5 倍，孔壁更光滑（见表 5）。

3.3 对比分析

通过试验前后数据对比，优化后的 TB18钛合金刀具加工效率及寿命均有所提升。

效率提升：TB18钛合金粗铣快进给铣刀的金属去除率从 32.6cm3/min提升至 50． 4cm3/min，提升至原 来的 1.5 倍；精铣硬质合金立铣刀切削线速度从 26.3m/min 提升至 40.035m/min，提升至原来的1． 5 倍 。

寿命提升：用于 TB18材料粗铣的快进给铣刀刀具寿命从 60min/把提升了90min/ 把，提升了1.5倍；硬 质合金铣刀的刀具寿命从30min/把提升了83min/把，提升了2.8倍； 硬质合金钻头寿命从15min提升至60min ， 提升了4倍； U钻寿命从20min/把提升了50min把，提升了2.5倍。

4、 结语

通过刀具切削对比试验对新型钛合金 TB18的切削性能进行研究，分析刀具的主要失效形式，优化改进 刀具结构并合理选取切削参数，得出以下主要结论。

（1）与通用钛合金的切削加工相比，TB18材料具有更高的黏性，极易产生切削热，刀具失效的主要形 式为刀具快速磨损和烧蚀。

（2）对典型钻削、铣削刀具进行优化改进，经试验验证，改进后的刀具可有效降低切削过程中摩擦热 的产生，刀具寿命提升明显。

（3）为提高生产效率、降低加工成本，本文对切削参数进行优化。 试验结果表明，优化后的切削参数 可以使加工效率得到有效提升，验证了切削参数优化方案的可行性，为今后 TB18材料的加工提供一定的参 考。

参考文献

［1］刘莹莹，陈子勇，金头男，等． 600℃ 高温钛合金发展现状与展望［Ｊ］． 材料导报，2018， 32（11）：1863 － 1883．

［2］付秀丽，艾兴，张松，等． 航空整体结构件的高速切削加工［Ｊ］． 工具技术，2006，40（3） ：80 － 83．

［3］李少强，弓站朋，李辉，等． TB18钛合金热变形行为及动态再结晶机制［Ｊ］． 稀有金属材料 与工程，2020，4９（９）：3045 － 3051．

第一作者：姜怡君，工程师，中航西安飞机工业集团股份有限公司，７1008９ 西安市

Ｆｉｒｓｔ Ａｕｔｈｏｒ：Ｊｉａｎｇ Ｙｉｊｕｎ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，ＡＶＩＣ Ｘｉ′ａｎ Ａｉ ｒｃｒａｆｔ Ｉｎ⁃ｄｕｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ ＣｏMPaｎｙ Ｌｔｄ． ，Ｘｉ′ａｎ ７1008９，Ｃｈｉｎ ａ