钛 及钛合金高温强度大、热导率低、化学活性高，车削加工时容易粘刀，是一种难车削加工的材料。 从20世纪50年代起，美国和法国就开始对刀具的耐磨性、主切削位置的塑变特性、片状或环状切屑的形成、工件出现的振颤现象、刀具的快速磨损情况等进行了 研究，发现高速切削时，可产生发热（刀尖处尤其明显），刀边部形成磨顶槽或发生塑性变形，刀具磨损快；切削钛合金等硬质材料时，使用多晶金刚石和烧结立方 NB刀具的切速可比使用普通WC刀具稍快。同时还研究了许多钛合金的切削性能，如纯钛，Ti-6Al-4V（Ti-64），VT14，VT15，Ti- 6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6246），Ti- 4.5Al-4.5Mn等。1车削刀具的开发近年来车削刀具发展很快，开发的刀具材料有高速钢、硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、CBN、金刚石等， 表1列出一些刀具的性能特点 <1-8>。刀具选材取决于车床的功率、系统能否承受高速车削、车削量、车削速度等。高速钢刀具适于车削量少、不求工作效率和车床功率较小的 场合使用；硬质合金刀具价格比高速钢的贵，但若考虑刀具寿命，则二者相当，使用硬质合金刀具时，车床刚性和功率要足够大、振动要小，以防崩刃；CBN刀具 的价格是硬质合金刀具的10倍多，其切速可达 100m·min-1或更高，易产生崩刃的场合不能使用此类刀具；金刚石刀具与钛的反应性最低，且硬度、热导率最高，但由于价格昂贵及加工机械引起的刀刃 缺损，现在一般不用。车削刀具一般选择硬质合金不重磨刀具，最适宜的刀具材料是不含钛的K类烧结WC-Co硬质合金。加工刚性低及带键槽等凹陷的部件时， 因车刀易崩刃，钎焊硬质合金刀具和韧性高的高速钢刀具比较适宜。但高速钢刀具在切速高于20m·min-1、短时间切削后，磨损加大，因此不得不降低车削 速度，加工效率很低。天然金刚石刀具和烧结金刚石刀具的切速可高达 200m·min-1～300m·min-1，用天然金刚石刀具切削30 min后，刀具几乎不磨损，以后的磨损仅有0.05mm；但金刚石刀具易崩刃，仅限于切削深度小的精加工，车床刚度必须很高。车削钛及钛合金时，产生锯齿 状切屑，工件容易产生振动，所以刀具前后角角度的选择也很重要。对硬质合金刀具而言，钛的硬度在HB350以上时，前角-5 °～0°的负角型为好；硬度低于HB350时，0°～5°的正角型较合适。刀具的后角以5° ～10°较合理，后角大时，车刀的楔角变小，容易引起崩刃或豁刀；后角小时，刀具的后部与钛摩擦产生大量的热，致使刀具磨损加剧，寿命变短。影响切削性的 主要因素与晶体结构、拉伸强度及与刀具材料是否适应等情况有关。a，a+b钛合金较易切削，b合金强度高，较难车削，特别是断续切削b合金时，刀刃角度若 不合适，易产生崩刃。车削残留有黑皮或有折皱、裂痕的部位时，车削条件比一般切削要求苛刻，此时切速应低一些，刀具的选择也应合理。钛合金的活性非常大， 干式切削时切屑表1 切削刀具的性能特点刀 具 涂 层 涂层厚度 性 能 特 点
86%WC11.5%Co 2.5%Ta（Nb）C PVD-TiN CVD-TiN +Al2O3
2mm～3.5mm 2mm /1.5mm 切速55?m·min-1，进给量0.15mm/r
，CVD涂层刀具切削Ti-64的性能比PVD涂层刀具的好。 Sialon，
Al2O3-ZrO2， Al2O3-TiC陶瓷 无 不宜切削钛合金，刀具上可见
严重的缺口磨损。 WC6%Co 无 无涂层的刀具切削效果最佳，
刀具的耐磨性较好。 TiN，TiC， Al2O3，HfN 刀具的前倾
面、侧面的磨损均比未涂层刀具的快。 NB，TiB2 NB刀具
在切速为250?m·min-1，进给量为0.25?mm/r时，切削30?s后刀具性能仍较佳。 R18钢 R9F5钢 离子氮化涂层 20mm 刀具的压缩
和扭曲性能较好，适宜切削钛合金。涂层20mm～30mm厚时，适宜切削常规结构材料。 94%WC6%Co CNMG120408 -890（883）
无 切削Ti-6246合金时，883型刀具的切速应为60m·min-1或更
低些，进给量为0.25?mm/r；890型刀具的寿命不佳。 PCBN 立方
NB刀具 无 不能高于700℃切削，切速可达185m·min-1～
220m·min-1。 R6M5钢 无 切速应控制在10.8m·min-1～
31.2m·min-1。 SM245 TiN+TiCN 320nm 多层化学沉积法（
MLCVD）制备的刀片涂层比常规的薄300倍，它是由62层TiN和TiCN涂层交替排布而成，每层厚50nm；涂层表面光滑，减少了摩擦和摩擦热，刀具寿命提高400%。 YG8钨钴类硬质合金 无 适宜切
削钛合金。车削钛合金试样时，工件温度限制在50℃以下。车床转速为360r·min-1，进 给量为0.06mm/r，第一、二、三刀进刀深度分别为2mm，1.5mm和1.25mm。 HSS硬质钢 无 刀具侧磨损
与切速呈幂指数关系。进给量应控制在0.08 mm/r～0.12mm/r。切速超过30m·min-1后，钛合金极难加工。 TiCN NCr TiAlN
TiCN涂层刀具切削Ti-64的效果最佳。TiC、TiAlN涂层化学稳定性高，它们在刀具 和切屑之间对热起屏蔽作用；TiN涂层在刀具刀刃部耐磨顶槽磨损。 有时会燃烧。使用水溶性切削油可使刀具寿命延长2倍
， 高速切削（100 ?m·min-1）时，乳浊液型水溶性切削油较合适。2 刀具寿命车削速度对刀具寿命影响很大。车削时切速尽可能低一些，车削热就会减少，刀具寿命延长。若考虑加工效率，使用硬质合金刀具合适的切削速度应为50 m·min-1～ 70 m·min-1。车削钛合金时，进给量、切削深度无特殊要求。但为了保证加工效率，降低切速、增大吃刀深度是必要的。刀具寿命可用侧磨损、切削力、切削温 度、动态切削过程和工件表面精度等进行评价。工件表面质量以表面粗糙度、残余应力等来表述，切削温度和切削力对工件表面质量有很大影响，而且与车刀边部的 状态有关，通常使用单位切削压力和切削力（二者可间接地表征刀刃的状态）来表示切削过程的性质。车削初期，切削力稳步降低，继续车削一段时间后，切削力增 高。切削力开始升高的时间可作为评判刀具寿命的标准，此时刀具寿命可表达为：nT?0.52 6?=C1，其中n?/?m·min-1代表切速，T?/?min为刀具寿命，C?1为常数。与切削力一样，单位切削压力也是先稳步降低，随后增大。大多 数情况下，车削一定时间后，工件―刀具体系温度逐渐升高，随后突然升高。不同切速切削Ti-4.5Al-4.5Mn时，P CBN刀具均在700℃左右切削温度突然升高<5>。用切削温度表征刀具寿命的表达式为：n T?0.545?=C2，其中n?/?m·min-1为切速，T?/?min为刀具寿命，C 2为常数。由上述两式可知，切削钛合金时热量是影响刀具寿命的主要因素。刀具―工件间的界面也对刀具寿命影响很大。界面状况常可用切削力、切削温度及切屑 应变来表征。切屑应变受剪切角和刀具―工件间的倾斜角影响。切削条件一定时，切屑应变随倾斜角的变化而变化。不同切速下，切削一定时间后，切屑应变也会突 然增大。表征刀具寿命时，切屑应变增大所对应的温度（700 ℃）可看成是决定刀具寿命的临界温度。从不同切速下，单位切削压力、切削温度之间的关系中可知，切速较低时，单位切削压力和切削区的温度稳步增大；中等切 速时，刀具性能稳定；切速较高时，刀具性能不稳定。而单位切削压力一定，切速较低及中等时，切屑应变连续增大；切速较高时，切削过程不稳定。3切削磨损机 制钛合金车削时热量较集中<2>，工件的热表面与刀具表面接触并快速发生反应，刀具前倾面严重磨损。车削时由于变形，大部分的热量集中于沿切 削方向非常窄小的主切削带内，磨顶槽是在刀尖处形成的，而不是在远离刀尖处形成的<8>。英国研究人员用含94%WC，6%Co的CNMG 120408-890（或883）刀具切削Ti-6246钛合金时发现<4>，影响刀具耐磨性的机制有许多种，如扩散、摩擦、碎裂及塑性变 形。切速较快、进刀量较多时，碎屑―刀具接触面积减小，刀刃附近温度集中，侧表面磨损加剧，干切时尤其严重。切削初期，侧表面和刀尖均匀磨损；随后刀尖比 侧表面的磨损快得多。切速加快，刀尖附近的侧表面应力更易集中，温度较高，刀具屈服强度降低，刀尖区域的磨损进一步加大。刀具磨损的机制可能是一些碳化物 颗粒引起的磨损。刀刃处于高温和高应力下，发生碎裂，碎片在刀具侧表面和新切工件表面间移动，产生磨损。粘有钛合金的侧表面上还存在均匀磨损，尤其是高速 切削时，溶解-扩散磨损机制起主要作用，刀具和切屑间完全封闭，致使温度升高，这为均匀磨损提供了良好的条件。温度高于800℃，刀具与切屑或工件间紧密 接触，刀具材料原子通过刀具―碎屑或刀具―工件界面扩散、迁移。刀刃材料较脆，车削时刀刃部温度较高、应力较大时，极易产生缺口、掉片、裂纹、断裂。切速 较大、进给量较多时，此现象更易发生。高温高应力下，前倾面上刀具―碎屑接触使二者结合成一体，这是产生缺口和表面分层的主要原因；加工时，机械载荷和热 应力也可使刀具产生掉片和缺口。以100m?min-1的切速、0.35mm/r的进给量切削Ti-6246 10s后，刀尖附近刀刃碎裂现象严重。
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