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毕业设计（论文）
1 绪 论
1.1引言
钛合金是航空领域中常用的金属材料。无论是军用还是民用飞机钛合金的用量都相当大。然而钛合金是典型的难加工材料，切削效率比较低，刀具磨损严重，所以不断努力提高钛合金的铣削效率和加工质量，降低生产成本，一直是航空制造业多年来为之努力和亟待解决的技术难题。
1.2 钛合金的应用及其切削加工技术的发展现状
1.2.1 钛合金的性能及其应用
钛及钛合金由于具有比强度高、抗腐蚀性好、耐高温等一系列突出的优点，能够进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工。50年代初期，在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机层罩、减速板等受力不大的结构件。60年代，钛合金在飞机结构上的应用，进一步扩大到襟冀滑轧、承力隔框、中冀盒形结构件、起落架结构件等主要受力结构件中。到70年代，钛合金在飞机结构上的应用，又从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，而且在民用飞机上也开始大量采用钛合金结构。进入80年代后，民用飞机用钛逐步增加，并已超过军用飞机用钛。对于高速战斗机，由于高速和高机动性，要求飞机结构尽可能轻，同时还要有耐高温的能力，实践证明，钛合金是最适宜的材料。从美国各时期主力战机所使用的材料重量比例可以看出，军用机上复合材料和钛合金的比例正在不断加大，而铝合金的比率呈下降趋势，钛合金和复合材料的应用水平已是衡量飞机先进性的重要标志之一。美国王牌战机F－22所使用的钛合金的重量比例达到了41%。钛合金作为飞机机体材料使用的优势主要有以
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下几点：1)轻量化，2)节约空间，3)耐热性，4)耐蚀性，5)能与碳纤维强化复合材料(CFRP材料)互相相容。 1.强度及热强度高
钛合金的密度小，一般在4.5g/cm 3左右，仅为钢的60%，而强度高，热稳定性好，高温强度好。在300℃～500℃温度下，钛合金的强度约比铝合金高10倍。 2.低温性能好
钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。如在-100℃和-196℃时TA4的σb分别为893MPa和1207MPa。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。 3.抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀的抵抗能力特别强；对碱、氯化物、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。 4.化学活性大
钛的化学活性大，与大气中的O、N、 H、 C02、 CO、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。 5.导热系数小
钛的导热系数λ=15.24W/（m·K），约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。
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6.弹性模量小
钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘着磨损。
1.3 钛合金切削加工技术的发展概况
1.3.1 钛合金切削刀具技术的发展概况
1.切削钛合金时所需要的刀具材料的性能
切削生产率的提高主要是发展和应用新型的刀具材料的结果。过去几十年里，切削刀具有了很大的发展，包括硬质合金涂层，陶瓷，立方氮化硼，多晶金刚石。这些用来加工铸铁、钢和高温合金是有效的。但是没有一种刀具能够改善钛合金的切削加工性，这是因为切削钛合金的刀具材料要求具有非常重要的性能，这些包括：1)良好的热硬性以抵抗很高的应力；2）良好的导热性以降低热梯度和热冲击；3）良好的化学惰性以降低与钛发生化学反应的趋势；4）良好的韧性和抗疲劳能力以适应切屑分割过程；5）高压缩，拉伸和剪切强度。
2. 目前用来切削钛合金的刀具
在几乎所有的钛合金切削加工过程中，碳化钨类（WC/Co）硬质合金刀具被认为是性能最好的。在钻孔和铰孔过程中高速钢刀具性能也很好。一些试验表明所有的硬质合金涂层刀具（用TiC，TiCN，TiN-TiC，Al2O3-TiC，TiN-Ti（C，N）-TiC，Al2O3，HfN，和TiB2涂层的硬质合金）其磨损率大于那些未涂层的刀具。虽然现在的陶瓷刀具质量已经得到了提高并且越来越多的用于加工难切削材料，尤其是那些高温合金
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（例如镍基高温合金），但是由于其导热性能差、断裂韧性低并且与钛发生反应，所以他们并没有取代硬质合金和高速钢。超硬切削刀具材料（立方氮化硼和多晶金刚石）在切削钛合金时的磨损率低，因而显示出良好的性能。但是他们的应用受到价格的限制。
3. 刀具失效形式和磨损机理的研究现状
钛合金切削的刀具失效与磨损机理方面已经进行了一些特别的研究。切削钛合金时刀具材料遭受到的几种热和机械冲击、高切削应力、切削刃附近产生的高温极大的影响了刀具磨损率，从而影响了刀具寿命。凹口(notching)，刀面磨损(flank wear)，弹坑磨损(crater)，微崩和崩刀(chipping and catastrophic failure)是切削钛合金时刀具失效的主要形式。这是由高温、高切削应力、钛的很强的化学活性，断续切屑的形成过程共同作用的结果。
加工钛合金时不同的刀具材料对应不同的磨损机理。总的说来溶解扩散、粘着磨损、磨粒磨损和刀具塑性变形还有化学反应存在于各种刀具的磨损过程中。
4. 切削参数对刀具寿命的影响
切削速度对刀具寿命的影响最大。刀具寿命在高速切削的条件下非常短，但是随着切削速度的降低刀具寿命显著的提高。切深和每齿进给量对刀具寿命的影响也很大。
当切削钛合金时，刀具几何角度对刀具寿命有很大的影响。有人认为由大后角（从10到15度）和大的负前角（从-10度到-15度）够成的刀具比较适合加工钛合金，与标准的刀具几何角度相比（-5度前脚和5度后角）可以提高WC/Co类硬质合金刀具
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