钛合金凭借比强度高、耐腐蚀性优异、耐高温等特性，在航空航天、汽车制造、医疗器械等高端领域占据不可替代的地位。随着工业技术的不断升级，对钛合金构件的加工精度、表面质量和生产效率提出了更高要求。然而，钛合金导热系数低、化学活性高、弹性模量小等特点，使其加工过程面临切削温度高、刀具磨损快、表面质量难控制等诸多挑战，成为制约其广泛应用的关键瓶颈。
近年来，国内外学者针对钛合金加工技术展开了深入研究，从冷却润滑方式优化、表面强化工艺创新到刀具技术升级、生产流程管理等方面取得了一系列突破。例如，低温微量润滑（CMQL）技术有效解决了传统冷却方式的效率低下问题，超声滚压工艺显著提升了零件表面性能，先进刀具材料的应用则大幅提高了铣削加工效率。同时，金属平衡管理作为生产过程中的重要环节，为提升材料利用率、降低成本提供了系统方法。
凯泽金属基于四篇核心研究文献，系统梳理钛合金加工中的关键技术，包括切削加工中的润滑与刀具选择、表面强化中的超声滚压工艺、生产管理中的金属平衡方法，整合实验数据与应用案例，为钛合金加工技术的工程应用提供全面参考，并展望未来发展方向。
一、钛合金加工性能及核心挑战
1.1 材料特性与加工难点
钛合金的加工性能与其独特的物理化学特性密切相关：
导热系数低：TC4 钛合金的导热系数仅为 16.8 W/(m・K)，约为 45 钢的 1/5，切削过程中热量难以扩散，导致刀尖温度急剧升高（可达 1000℃以上），加速刀具磨损 [1]。
化学活性高：高温下易与刀具材料（如钨、钴）发生化学反应，形成黏结磨损，尤其在切削速度超过 100 m/min 时，黏结现象显著加剧 [4]。
弹性模量小：钛合金弹性模量约 110 GPa，仅为钢的 1/2，加工时易产生回弹，导致刀具与工件间的摩擦加剧，影响表面精度 [2]。
加工硬化严重：奥氏体组织在切削力作用下易发生塑性变形，形成硬化层（硬度可提高 30%~50%），后续加工时切削抗力增大 [1]。
这些特性导致钛合金加工中普遍存在刀具寿命短（仅为加工钢件的 1/10~1/5）、表面质量差（易出现撕裂、鳞刺）、生产效率低（切削速度通常低于 150 m/min）等问题 [4]。
1.2 典型加工工艺的适应性
不同加工工艺对钛合金的适应性差异显著：
切削加工：车削、铣削等传统工艺面临 “高温 - 高摩擦 - 高磨损” 的三重挑战，需通过冷却润滑优化和刀具创新突破瓶颈 [1,4]。
表面强化：超声滚压、喷丸等工艺可通过引入残余压应力改善表面性能，但需精确控制工艺参数以避免过度加工导致的材料损伤 [2]。
生产管理：钛合金材料昂贵（约为钢材的 5~10 倍），需通过金属平衡管理提高成材率，降低生产成本 [3]。
二、钛合金切削加工技术优化
2.1 冷却润滑方式创新
冷却润滑是控制切削温度、减少刀具磨损的关键手段，不同方式的性能对比见表 1。
表 1 不同冷却润滑方式的加工效果对比（TC4 钛合金，切削速度 240 m/min）
| 润滑方式 | 主切削力（N） | 表面粗糙度 Ra（μm） | 刀具寿命（min） | 环保性 |
| 浇注式 | 499.0 | 0.841 | 15 | 差 |
| 冷风 | 466.1 | 0.773 | 22 | 中 |
| CMQL | 389.8 | 0.593 | 35 | 优 |
低温微量润滑（CMQL）：通过将低温气流（-5~10℃）与微量润滑油（5~10 mL/h）雾化混合，直接作用于切削区，兼具冷却和润滑双重功效。实验表明，CMQL 可使主切削力降低 23%，表面粗糙度改善 30%，其核心机理是低温抑制了钛合金的化学活性，油膜则减少了刀具与切屑的黏结 [1]。
参数优化：在高速精车时，CMQL 的最佳参数组合为：切削速度 240~300 m/min、进给量 0.15~0.2 mm/r、切削深度 0.2~0.3 mm，此时加工效率与表面质量达到平衡 [1]。
2.2 刀具技术升级
刀具性能直接决定钛合金铣削效率，近年来的创新集中在材料与结构两方面：
刀具材料：伊斯卡公司开发的 IC840 硬质合金，采用高韧性基体与 “巧克力涂层”（PVD 工艺），抗氧化温度达 800℃以上，在 Ti5553 合金铣削中寿命比传统涂层刀具提高 2 倍 [4]。
刀具结构：
XQUAD 玉米铣刀：采用方形刀片径向夹紧设计，排屑槽容积增加 30%，配合高压冷却通道（30 MPa），适合深槽粗加工，金属去除率（MRR）可达 500 cm³/min [4]。
Ti-TURBO 立铣刀：7~9 个不等螺旋角齿设计，有效抑制振动，摆线铣削时表面粗糙度可控制在 0.4 μm 以下，适用于精密型腔加工 [4]。
变形金刚铣刀：可更换刀头设计，6 齿快进给刀头实现进给速度 800 mm/min，粗加工效率提升 40%[4]。
2.3 切削参数协同优化
通过正交试验发现，切削参数对加工质量的影响权重为：进给量＞切削深度＞切削速度 [1]。以 CMQL 条件下的精车为例：
进给量：从 0.1 mm/r 增至 0.3 mm/r，表面粗糙度 Ra 从 0.5 μm 增至 1.5 μm，需根据表面质量要求严格控制。
切削速度：在 180~300 m/min 范围内，切削力随速度升高而降低（降幅约 15%），因高温使材料局部软化。
切削深度：每增加 0.1 mm，切削力约增加 20%，建议精加工余量控制在 0.2~0.3 mm [1]。
三、钛合金表面强化技术 —— 超声滚压工艺
3.1 工艺原理与仿真分析
超声滚压通过高频振动（20~30 kHz）与静载荷协同作用，使工件表层产生塑性变形，实现晶粒细化和残余压应力引入。有限元仿真（ABAQUS）表明：
应力分布：普通滚压因低频冲击导致残余应力波动大（±200 MPa），而超声滚压（振幅 20 μm）的应力分布均匀，均值可达 - 849 MPa [2]。
强化层深度：随振幅从 5 μm 增至 25 μm，强化层深度从 0.175 mm 增至 0.312 mm，但振幅过大（＞25 μm）会导致表层开裂 [2]。
3.2 实验验证与参数优化
实验采用 TC4 钛合金试件，分析静载荷（100~900 N）和振幅（5~25 μm）对表面性能的影响：
表面粗糙度：随振幅增加先降低后升高，在 20 μm 时达最小值（0.1 μm），因适度塑性变形填充了表面凹坑 [2]。
显微硬度：表层硬度从基体的 230 HV 增至 467 HV，增幅达 103%，强化层深度约 120 μm [2]。
最优参数：静载荷 500 N、振幅 20 μm、滚压次数 2 次，此时表面残余应力 - 849 MPa、粗糙度 0.1 μm、硬度 468 HV，综合性能最佳 [2]。
四、钛合金生产过程中的金属平衡管理
4.1 平衡表的编制方法
金属平衡是衡量生产效率的核心工具，分为两种基本形式：
收支存平衡表：反映物料流转过程，核心公式为：期初库存 + 本期收入 = 本期支出 + 期末库存。以熔铸车间为例，需统计海绵钛、中间合金、成品锭等物料的流转，明确损耗节点 [3]。
投入产出平衡表：聚焦生产转化效率，公式为：投入量 + 期初在制品 - 期末在制品 - 回收品 = 成品产量 + 损失量。某企业应用该表后，钛材成材率从 65% 提升至 72%[3]。
4.2 关键问题与解决措施
废料分类：将废料分为工艺废料（如冒口、飞边）和废品（如裂纹件），前者可返回熔炼重铸（回收率 80%），后者需降级使用 [3]。
数据追溯：采用数字化系统记录各工序物料重量，误差控制在 ±0.5% 以内，避免因计量不准导致的平衡偏差 [3]。
五、全文总结与展望
5.1 主要结论
切削加工：CMQL 冷却润滑在高速精车中表现最优，可降低切削力 23%、改善表面粗糙度 30%，配合 IC840 刀具可实现高效加工。
表面强化：超声滚压（振幅 20 μm）能使 TC4 钛合金表层硬度提升 103%，残余压应力达 - 849 MPa，显著改善疲劳性能。
生产管理：金属平衡表可有效提升成材率，通过废料分类和数据追溯，钛材利用率可提高 7% 以上。
5.2 未来展望
技术融合：开发 “切削 - 强化” 一体化工艺，如切削后直接进行超声滚压，减少工序流转时间。
智能优化：基于机器学习算法，建立切削参数与表面质量的预测模型，实现加工过程的自适应调控。
绿色制造：研究生物降解润滑油在 CMQL 中的应用，进一步降低环境负荷。
参考文献
[1] 国秀丽，吴贵军，张程焱。润滑条件对 TC4 钛合金切削加工影响的实验研究 [J]. 工具技术，2024, 58 (1):31-38.
[2] 马骏。钛合金材料超声滚压加工的仿真分析与实验研究 [J]. 机电工程，2024, 41 (2):345-352.
[3] 李楠，曹瑞，化涛，等。钛加工材的金属平衡探讨 [J]. 世界有色金属，2021 (1):38-39.
[4] Andrei Petrilin. 钛及钛合金铣削加工解决方案 [J]. 制造技术与机床，2022 (7):20-21.
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