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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程中讓刀誤差與加工變形問(wèn)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(wèn)題，闡明鈦合金切削加工刀具與工藝技術(shù)的未來(lái)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(guò)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(guò)程刀具磨損[11] 。Zhou 等 [12]通過(guò)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(guò)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(guò)程以及銑削等斷續(xù)切削過(guò)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(guò) 80m/min，當(dāng)切削速度過(guò)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(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具可顯著降低鈦合金切削過(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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(guò)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(guò)程刀具損耗嚴(yán)重、加工效率偏低、加工成本高的問(wèn)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(lái)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(wèn)題的有效途徑之一。通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中刀具磨損過(guò)程，與未經(jīng)深冷處理的刀片相比，在經(jīng)過(guò) 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(guò)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(guò)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(wèn)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò) 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(guò)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(guò)程摩擦力。

近 年 來(lái)，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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題尤為突出，加工過(guò)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(guò)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(wú)顫振穩(wěn)定切削參數(shù)閾值。Wang等[85]針對(duì)薄壁件銑削過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)切削過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)比較有無(wú)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(wèn)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(guò)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(guò)程穩(wěn)定性的作用。李紅衛(wèi)等[97]通過(guò)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(guò)程阻尼影響規(guī)律，指出具有圓弧過(guò)渡的后刀面相比較平面型后刀面可以增加切削過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中刀具與工件接觸率的解析模型，通過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(lái)有益的影響。高延峰等[109]通過(guò)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(guò)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(wú)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(lái)說(shuō)，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(guò)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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