鈦合金憑借比強度高、耐腐蝕性優異、耐高溫等特性，在航空航天、汽車制造、醫療器械等高端領域占據不可替代的地位。隨著工業技術的不斷升級，對鈦合金構件的加工精度、表面質量和生產效率提出了更高要求。然而，鈦合金導熱系數低、化學活性高、彈性模量小等特點，使其加工過程面臨切削溫度高、刀具磨損快、表面質量難控制等諸多挑戰，成為制約其廣泛應用的關鍵瓶頸。

近年來，國內外學者針對鈦合金加工技術展開了深入研究，從冷卻潤滑方式優化、表面強化工藝創新到刀具技術升級、生產流程管理等方面取得了一系列突破。例如，低溫微量潤滑（CMQL）技術有效解決了傳統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，先進刀具材料的應用則大幅提高了銑削加工效率。同時，金屬平衡管理作為生產過程中的重要環節，為提升材料利用率、降低成本提供了系統方法。

凱澤金屬基于四篇核心研究文獻，系統梳理鈦合金加工中的關鍵技術，包括切削加工中的潤滑與刀具選擇、表面強化中的超聲滾壓工藝、生產管理中的金屬平衡方法，整合實驗數據與應用案例，為鈦合金加工技術的工程應用提供全面參考，并展望未來發展方向。

一、鈦合金加工性能及核心挑戰

1.1 材料特性與加工難點

鈦合金的加工性能與其獨特的物理化學特性密切相關：

導熱系數低：TC4 鈦合金的導熱系數僅為 16.8 W/(m?K)，約為 45 鋼的 1/5，切削過程中熱量難以擴散，導致刀尖溫度急劇升高（可達 1000℃以上），加速刀具磨損 [1]。

化學活性高：高溫下易與刀具材料（如鎢、鈷）發生化學反應，形成黏結磨損，尤其在切削速度超過 100 m/min 時，黏結現象顯著加劇 [4]。

彈性模量小：鈦合金彈性模量約 110 GPa，僅為鋼的 1/2，加工時易產生回彈，導致刀具與工件間的摩擦加劇，影響表面精度 [2]。

加工硬化嚴重：奧氏體組織在切削力作用下易發生塑性變形，形成硬化層（硬度可提高 30%~50%），后續加工時切削抗力增大 [1]。

這些特性導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）、表面質量差（易出現撕裂、鱗刺）、生產效率低（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性

不同加工工藝對鈦合金的適應性差異顯著：

切削加工：車削、銑削等傳統工藝面臨 “高溫 - 高摩擦 - 高磨損” 的三重挑戰，需通過冷卻潤滑優化和刀具創新突破瓶頸 [1,4]。

表面強化：超聲滾壓、噴丸等工藝可通過引入殘余壓應力改善表面性能，但需精確控制工藝參數以避免過度加工導致的材料損傷 [2]。

生產管理：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，降低生產成本 [3]。

二、鈦合金切削加工技術優化

2.1 冷卻潤滑方式創新

冷卻潤滑是控制切削溫度、減少刀具磨損的關鍵手段，不同方式的性能對比見表 1。

表 1 不同冷卻潤滑方式的加工效果對比（TC4 鈦合金，切削速度 240 m/min）

低溫微量潤滑（CMQL）：通過將低溫氣流（-5~10℃）與微量潤滑油（5~10 mL/h）霧化混合，直接作用于切削區，兼具冷卻和潤滑雙重功效。實驗表明，CMQL 可使主切削力降低 23%，表面粗糙度改善 30%，其核心機理是低溫抑制了鈦合金的化學活性，油膜則減少了刀具與切屑的黏結 [1]。

參數優化：在高速精車時，CMQL 的最佳參數組合為：切削速度 240~300 m/min、進給量 0.15~0.2 mm/r、切削深度 0.2~0.3 mm，此時加工效率與表面質量達到平衡 [1]。

2.2 刀具技術升級

刀具性能直接決定鈦合金銑削效率，近年來的創新集中在材料與結構兩方面：

刀具材料：伊斯卡公司開發的 IC840 硬質合金，采用高韌性基體與 “巧克力涂層”（PVD 工藝），抗氧化溫度達 800℃以上，在 Ti5553 合金銑削中壽命比傳統涂層刀具提高 2 倍 [4]。

刀具結構：

XQUAD 玉米銑刀：采用方形刀片徑向夾緊設計，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 500 cm3/min [4]。

Ti-TURBO 立銑刀：7~9 個不等螺旋角齒設計，有效抑制振動，擺線銑削時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：可更換刀頭設計，6 齒快進給刀頭實現進給速度 800 mm/min，粗加工效率提升 40%[4]。

2.3 切削參數協同優化

通過正交試驗發現，切削參數對加工質量的影響權重為：進給量＞切削深度＞切削速度 [1]。以 CMQL 條件下的精車為例：

進給量：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，需根據表面質量要求嚴格控制。

切削速度：在 180~300 m/min 范圍內，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、鈦合金表面強化技術 —— 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（20~30 kHz）與靜載荷協同作用，使工件表層產生塑性變形，實現晶粒細化和殘余壓應力引入。有限元仿真（ABAQUS）表明：

應力分布：普通滾壓因低頻沖擊導致殘余應力波動大（±200 MPa），而超聲滾壓（振幅 20 μm）的應力分布均勻，均值可達 - 849 MPa [2]。

強化層深度：隨振幅從 5 μm 增至 25 μm，強化層深度從 0.175 mm 增至 0.312 mm，但振幅過大（＞25 μm）會導致表層開裂 [2]。

3.2 實驗驗證與參數優化

實驗采用 TC4 鈦合金試件，分析靜載荷（100~900 N）和振幅（5~25 μm）對表面性能的影響：

表面粗糙度：隨振幅增加先降低后升高，在 20 μm 時達最小值（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 103%，強化層深度約 120 μm [2]。

最優參數：靜載荷 500 N、振幅 20 μm、滾壓次數 2 次，此時表面殘余應力 - 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，需統計海綿鈦、中間合金、成品錠等物料的流轉，明確損耗節點 [3]。

投入產出平衡表：聚焦生產轉化效率，公式為：投入量 + 期初在制品 - 期末在制品 - 回收品 = 成品產量 + 損失量。某企業應用該表后，鈦材成材率從 65% 提升至 72%[3]。

4.2 關鍵問題與解決措施

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%），后者需降級使用 [3]。

數據追溯：采用數字化系統記錄各工序物料重量，誤差控制在 ±0.5% 以內，避免因計量不準導致的平衡偏差 [3]。

五、全文總結與展望

5.1 主要結論

切削加工：CMQL 冷卻潤滑在高速精車中表現最優，可降低切削力 23%、改善表面粗糙度 30%，配合 IC840 刀具可實現高效加工。

表面強化：超聲滾壓（振幅 20 μm）能使 TC4 鈦合金表層硬度提升 103%，殘余壓應力達 - 849 MPa，顯著改善疲勞性能。

生產管理：金屬平衡表可有效提升成材率，通過廢料分類和數據追溯，鈦材利用率可提高 7% 以上。

5.2 未來展望

技術融合：開發 “切削 - 強化” 一體化工藝，如切削后直接進行超聲滾壓，減少工序流轉時間。

智能優化：基于機器學習算法，建立切削參數與表面質量的預測模型，實現加工過程的自適應調控。

綠色制造：研究生物降解潤滑油在 CMQL 中的應用，進一步降低環境負荷。

參考文獻

[1] 國秀麗，吳貴軍，張程焱。潤滑條件對 TC4 鈦合金切削加工影響的實驗研究 [J]. 工具技術，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驗研究 [J]. 機電工程，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]. 制造技術與機床，2022 (7):20-21.

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