鈦合金憑借比強(qiáng)度高、耐腐蝕性優(yōu)異、耐高溫等特性，在航空航天、汽車制造、醫(yī)療器械等高端領(lǐng)域占據(jù)不可替代的地位。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷升級(jí)，對(duì)鈦合金構(gòu)件的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出了更高要求。然而，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)活性高、彈性模量小等特點(diǎn)，使其加工過程面臨切削溫度高、刀具磨損快、表面質(zhì)量難控制等諸多挑戰(zhàn)，成為制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鈦合金加工技術(shù)展開了深入研究，從冷卻潤(rùn)滑方式優(yōu)化、表面強(qiáng)化工藝創(chuàng)新到刀具技術(shù)升級(jí)、生產(chǎn)流程管理等方面取得了一系列突破。例如，低溫微量潤(rùn)滑（CMQL）技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)冷卻方式的效率低下問題，超聲滾壓工藝顯著提升了零件表面性能，先進(jìn)刀具材料的應(yīng)用則大幅提高了銑削加工效率。同時(shí)，金屬平衡管理作為生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，為提升材料利用率、降低成本提供了系統(tǒng)方法。
凱澤金屬基于四篇核心研究文獻(xiàn)，系統(tǒng)梳理鈦合金加工中的關(guān)鍵技術(shù)，包括切削加工中的潤(rùn)滑與刀具選擇、表面強(qiáng)化中的超聲滾壓工藝、生產(chǎn)管理中的金屬平衡方法，整合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)用案例，為鈦合金加工技術(shù)的工程應(yīng)用提供全面參考，并展望未來發(fā)展方向。
一、鈦合金加工性能及核心挑戰(zhàn)
1.1 材料特性與加工難點(diǎn)
鈦合金的加工性能與其獨(dú)特的物理化學(xué)特性密切相關(guān)：
導(dǎo)熱系數(shù)低：TC4 鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)僅為 16.8 W/(m?K)，約為 45 鋼的 1/5，切削過程中熱量難以擴(kuò)散，導(dǎo)致刀尖溫度急劇升高（可達(dá) 1000℃以上），加速刀具磨損 [1]。
化學(xué)活性高：高溫下易與刀具材料（如鎢、鈷）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成黏結(jié)磨損，尤其在切削速度超過 100 m/min 時(shí)，黏結(jié)現(xiàn)象顯著加劇 [4]。
彈性模量小：鈦合金彈性模量約 110 GPa，僅為鋼的 1/2，加工時(shí)易產(chǎn)生回彈，導(dǎo)致刀具與工件間的摩擦加劇，影響表面精度 [2]。
加工硬化嚴(yán)重：奧氏體組織在切削力作用下易發(fā)生塑性變形，形成硬化層（硬度可提高 30%~50%），后續(xù)加工時(shí)切削抗力增大 [1]。
這些特性導(dǎo)致鈦合金加工中普遍存在刀具壽命短（僅為加工鋼件的 1/10~1/5）、表面質(zhì)量差（易出現(xiàn)撕裂、鱗刺）、生產(chǎn)效率低（切削速度通常低于 150 m/min）等問題 [4]。
1.2 典型加工工藝的適應(yīng)性
不同加工工藝對(duì)鈦合金的適應(yīng)性差異顯著：
切削加工：車削、銑削等傳統(tǒng)工藝面臨 “高溫 - 高摩擦 - 高磨損” 的三重挑戰(zhàn)，需通過冷卻潤(rùn)滑優(yōu)化和刀具創(chuàng)新突破瓶頸 [1,4]。
表面強(qiáng)化：超聲滾壓、噴丸等工藝可通過引入殘余壓應(yīng)力改善表面性能，但需精確控制工藝參數(shù)以避免過度加工導(dǎo)致的材料損傷 [2]。
生產(chǎn)管理：鈦合金材料昂貴（約為鋼材的 5~10 倍），需通過金屬平衡管理提高成材率，降低生產(chǎn)成本 [3]。
二、鈦合金切削加工技術(shù)優(yōu)化
2.1 冷卻潤(rùn)滑方式創(chuàng)新
冷卻潤(rùn)滑是控制切削溫度、減少刀具磨損的關(guān)鍵手段，不同方式的性能對(duì)比見表 1。
表 1 不同冷卻潤(rùn)滑方式的加工效果對(duì)比（TC4 鈦合金，切削速度 240 m/min）
| 潤(rùn)滑方式 | 主切削力（N） | 表面粗糙度 Ra（μm） | 刀具壽命（min） | 環(huán)保性 |
| 澆注式 | 499.0 | 0.841 | 15 | 差 |
| 冷風(fēng) | 466.1 | 0.773 | 22 | 中 |
| CMQL | 389.8 | 0.593 | 35 | 優(yōu) |
低溫微量潤(rùn)滑（CMQL）：通過將低溫氣流（-5~10℃）與微量潤(rùn)滑油（5~10 mL/h）霧化混合，直接作用于切削區(qū)，兼具冷卻和潤(rùn)滑雙重功效。實(shí)驗(yàn)表明，CMQL 可使主切削力降低 23%，表面粗糙度改善 30%，其核心機(jī)理是低溫抑制了鈦合金的化學(xué)活性，油膜則減少了刀具與切屑的黏結(jié) [1]。
參數(shù)優(yōu)化：在高速精車時(shí)，CMQL 的最佳參數(shù)組合為：切削速度 240~300 m/min、進(jìn)給量 0.15~0.2 mm/r、切削深度 0.2~0.3 mm，此時(shí)加工效率與表面質(zhì)量達(dá)到平衡 [1]。
2.2 刀具技術(shù)升級(jí)
刀具性能直接決定鈦合金銑削效率，近年來的創(chuàng)新集中在材料與結(jié)構(gòu)兩方面：
刀具材料：伊斯卡公司開發(fā)的 IC840 硬質(zhì)合金，采用高韌性基體與 “巧克力涂層”（PVD 工藝），抗氧化溫度達(dá) 800℃以上，在 Ti5553 合金銑削中壽命比傳統(tǒng)涂層刀具提高 2 倍 [4]。
刀具結(jié)構(gòu)：
XQUAD 玉米銑刀：采用方形刀片徑向夾緊設(shè)計(jì)，排屑槽容積增加 30%，配合高壓冷卻通道（30 MPa），適合深槽粗加工，金屬去除率（MRR）可達(dá) 500 cm3/min [4]。
Ti-TURBO 立銑刀：7~9 個(gè)不等螺旋角齒設(shè)計(jì)，有效抑制振動(dòng)，擺線銑削時(shí)表面粗糙度可控制在 0.4 μm 以下，適用于精密型腔加工 [4]。
變形金剛銑刀：可更換刀頭設(shè)計(jì)，6 齒快進(jìn)給刀頭實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度 800 mm/min，粗加工效率提升 40%[4]。
2.3 切削參數(shù)協(xié)同優(yōu)化
通過正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，切削參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量的影響權(quán)重為：進(jìn)給量＞切削深度＞切削速度 [1]。以 CMQL 條件下的精車為例：
進(jìn)給量：從 0.1 mm/r 增至 0.3 mm/r，表面粗糙度 Ra 從 0.5 μm 增至 1.5 μm，需根據(jù)表面質(zhì)量要求嚴(yán)格控制。
切削速度：在 180~300 m/min 范圍內(nèi)，切削力隨速度升高而降低（降幅約 15%），因高溫使材料局部軟化。
切削深度：每增加 0.1 mm，切削力約增加 20%，建議精加工余量控制在 0.2~0.3 mm [1]。
三、鈦合金表面強(qiáng)化技術(shù) —— 超聲滾壓工藝
3.1 工藝原理與仿真分析
超聲滾壓通過高頻振動(dòng)（20~30 kHz）與靜載荷協(xié)同作用，使工件表層產(chǎn)生塑性變形，實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化和殘余壓應(yīng)力引入。有限元仿真（ABAQUS）表明：
應(yīng)力分布：普通滾壓因低頻沖擊導(dǎo)致殘余應(yīng)力波動(dòng)大（±200 MPa），而超聲滾壓（振幅 20 μm）的應(yīng)力分布均勻，均值可達(dá) - 849 MPa [2]。
強(qiáng)化層深度：隨振幅從 5 μm 增至 25 μm，強(qiáng)化層深度從 0.175 mm 增至 0.312 mm，但振幅過大（＞25 μm）會(huì)導(dǎo)致表層開裂 [2]。
3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與參數(shù)優(yōu)化
實(shí)驗(yàn)采用 TC4 鈦合金試件，分析靜載荷（100~900 N）和振幅（5~25 μm）對(duì)表面性能的影響：
表面粗糙度：隨振幅增加先降低后升高，在 20 μm 時(shí)達(dá)最小值（0.1 μm），因適度塑性變形填充了表面凹坑 [2]。
顯微硬度：表層硬度從基體的 230 HV 增至 467 HV，增幅達(dá) 103%，強(qiáng)化層深度約 120 μm [2]。
最優(yōu)參數(shù)：靜載荷 500 N、振幅 20 μm、滾壓次數(shù) 2 次，此時(shí)表面殘余應(yīng)力 - 849 MPa、粗糙度 0.1 μm、硬度 468 HV，綜合性能最佳 [2]。
四、鈦合金生產(chǎn)過程中的金屬平衡管理
4.1 平衡表的編制方法
金屬平衡是衡量生產(chǎn)效率的核心工具，分為兩種基本形式：
收支存平衡表：反映物料流轉(zhuǎn)過程，核心公式為：期初庫存 + 本期收入 = 本期支出 + 期末庫存。以熔鑄車間為例，需統(tǒng)計(jì)海綿鈦、中間合金、成品錠等物料的流轉(zhuǎn)，明確損耗節(jié)點(diǎn) [3]。
投入產(chǎn)出平衡表：聚焦生產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率，公式為：投入量 + 期初在制品 - 期末在制品 - 回收品 = 成品產(chǎn)量 + 損失量。某企業(yè)應(yīng)用該表后，鈦材成材率從 65% 提升至 72%[3]。
4.2 關(guān)鍵問題與解決措施
廢料分類：將廢料分為工藝廢料（如冒口、飛邊）和廢品（如裂紋件），前者可返回熔煉重鑄（回收率 80%），后者需降級(jí)使用 [3]。
數(shù)據(jù)追溯：采用數(shù)字化系統(tǒng)記錄各工序物料重量，誤差控制在 ±0.5% 以內(nèi)，避免因計(jì)量不準(zhǔn)導(dǎo)致的平衡偏差 [3]。
五、全文總結(jié)與展望
5.1 主要結(jié)論
切削加工：CMQL 冷卻潤(rùn)滑在高速精車中表現(xiàn)最優(yōu)，可降低切削力 23%、改善表面粗糙度 30%，配合 IC840 刀具可實(shí)現(xiàn)高效加工。
表面強(qiáng)化：超聲滾壓（振幅 20 μm）能使 TC4 鈦合金表層硬度提升 103%，殘余壓應(yīng)力達(dá) - 849 MPa，顯著改善疲勞性能。
生產(chǎn)管理：金屬平衡表可有效提升成材率，通過廢料分類和數(shù)據(jù)追溯，鈦材利用率可提高 7% 以上。
5.2 未來展望
技術(shù)融合：開發(fā) “切削 - 強(qiáng)化” 一體化工藝，如切削后直接進(jìn)行超聲滾壓，減少工序流轉(zhuǎn)時(shí)間。
智能優(yōu)化：基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立切削參數(shù)與表面質(zhì)量的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)加工過程的自適應(yīng)調(diào)控。
綠色制造：研究生物降解潤(rùn)滑油在 CMQL 中的應(yīng)用，進(jìn)一步降低環(huán)境負(fù)荷。
參考文獻(xiàn)
[1] 國(guó)秀麗，吳貴軍，張程焱。潤(rùn)滑條件對(duì) TC4 鈦合金切削加工影響的實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 工具技術(shù)，2024, 58 (1):31-38.
[2] 馬駿。鈦合金材料超聲滾壓加工的仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 機(jī)電工程，2024, 41 (2):345-352.
[3] 李楠，曹瑞，化濤，等。鈦加工材的金屬平衡探討 [J]. 世界有色金屬，2021 (1):38-39.
[4] Andrei Petrilin. 鈦及鈦合金銑削加工解決方案 [J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2022 (7):20-21.
相關(guān)鏈接
