拓展-立方氮化硼刀具在车床切削钛合金中的应用与性能研究

一、引言

钛合金由于其高比强度、良好的耐腐蚀性和耐高温性能，在航空航天、医疗器械等领域有着广泛的应用。然而，钛合金的切削加工性较差，主要表现在低的热导率、高的化学活性和较大的加工硬化倾向。传统刀具在切削钛合金时往往面临刀具磨损快、加工精度低等问题。立方氮化硼（CBN）刀具以其高硬度、高耐磨性、高热稳定性等优良性能，为钛合金的高效切削提供了可能。

二、立方氮化硼刀具的特性

（一）硬度与耐磨性

立方氮化硼的硬度仅次于金刚石，其硬度高达 4500 - 5000HV。在车床切削钛合金时，能够抵抗钛合金材料对刀具的磨损，在长时间切削过程中保持刀刃的锋利度。这种高耐磨性使得 CBN 刀具在连续切削作业中能够有效减少刀具更换次数，提高加工效率。

（二）热稳定性

CBN 刀具在高温下具有出色的稳定性。钛合金切削过程中会产生大量的切削热，而 CBN 刀具能够在 1000℃以上的高温环境中保持其硬度和化学稳定性。这一特性不仅有助于减少刀具因热变形而导致的加工误差，还能避免因高温引起的刀具与工件之间的化学反应，从而提高加工质量。

（三）化学惰性

立方氮化硼与钛合金在切削过程中具有较低的化学亲和性。相比传统的硬质合金刀具，CBN 刀具在切削钛合金时不易发生粘结磨损和扩散磨损。这是因为其化学结构稳定，在高温高压下也不容易与钛合金中的元素发生化学反应，进一步延长了刀具的使用寿命。

三、切削参数对加工质量和刀具寿命的影响

（一）切削参数对加工表面质量的影响

切削速度

切削速度对加工表面质量有着复杂的影响。当切削速度较低时，刀具与工件之间的摩擦时间较长，容易在工件表面产生积屑瘤。积屑瘤的存在会导致工件表面粗糙度增加，同时可能引起加工尺寸的偏差。随着切削速度的提高，积屑瘤的形成倾向逐渐减小，加工表面质量得以改善。然而，当切削速度过高时，切削热急剧增加，会使钛合金产生热变形，而且过高的切削温度可能导致刀具材料性能下降，引起刀具磨损加剧，进而影响加工表面质量，出现表面烧伤、微裂纹等缺陷。

进给量

进给量是影响加工表面粗糙度的重要因素。较大的进给量意味着单位时间内刀具切削刃在工件表面划过的距离增大，会在工件表面留下明显的切削痕迹，直接导致表面粗糙度值增大。此外，进给量过大还可能引起切削力的波动，影响加工表面的平整度。而较小的进给量虽然有利于获得较好的表面质量，但过低的进给量会降低加工效率，增加加工成本。

切削深度

切削深度对加工表面质量的影响主要体现在切削力的变化上。增加切削深度会使切削力增大，当切削力超过一定限度时，可能导致工件和刀具的变形。工件的变形会使加工表面的形状精度降低，出现平面度、圆柱度等误差。同时，切削深度过大还可能引起切削过程的不稳定，在工件表面产生振动波纹，恶化加工表面质量。但适当的切削深度对于去除材料和保证加工效率是必要的，需要在两者之间寻求平衡。

（二）切削参数对刀具寿命的影响

切削速度、进给量和切削深度的变化都会对刀具寿命产生显著影响。如前文所述，过高的切削速度会因切削热和刀具磨损加剧而缩短刀具寿命。进给量和切削深度过大，会使刀具承受的切削力增大，容易导致刀具的破损、崩刃等情况，减少刀具的有效使用时间。

四、实验研究

（一）实验设备与材料

实验在高精度数控车床进行，采用立方氮化硼刀具，工件材料为 TC4 钛合金。切削过程中使用测力仪测量切削力，利用粗糙度仪测量加工表面粗糙度，并通过扫描电子显微镜（SEM）观察刀具磨损情况。

（二）实验方案

设计了不同切削速度、进给量和切削深度的多组实验。在每组实验中，记录刀具的切削时间、加工表面质量参数和刀具磨损量。通过对实验数据的分析，研究切削参数对加工效果的影响规律。

（三）实验结果与分析

实验结果表明，随着切削速度的增加，刀具磨损率先降低后升高，在某一特定切削速度下刀具磨损最小，同时加工表面粗糙度也呈现类似的变化趋势。进给量对加工表面粗糙度的影响呈正相关，即进给量越大，表面粗糙度越大。切削深度的增加会使切削力明显增大，当切削深度超过一定值时，刀具开始出现崩刃现象，并且加工表面质量也明显下降。通过对刀具磨损表面的 SEM 分析发现，主要的磨损形式包括磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损，且不同切削参数下磨损形式的比例有所不同。

五、结论

立方氮化硼刀具在车床切削钛合金方面具有显著优势，其高硬度、高耐磨性、热稳定性和化学惰性为提高钛合金加工质量和效率提供了有力保障。切削参数对加工质量和刀具寿命有着至关重要的影响，通过合理选择切削速度、进给量和切削深度，可以实现高效、高质量的钛合金切削加工。本研究通过实验分析了这些参数的影响规律，为实际生产中立方氮化硼刀具切削钛合金的工艺优化提供了参考依据，有助于推动钛合金在高端制造领域的更广泛应用。未来的研究可以进一步探索 CBN 刀具的微观结构优化以及与新型切削液的协同作用，以进一步提高其切削性能。