钛和钛合金具有良好的物理和机械性能。由这种材料制成的构件， 以高强度、特牢固、重量轻、耐腐蚀和耐高温等品质着称。这使得钛材料在航空工业中应用愈来愈多。
钛合金良好的物理和机械性能，对于飞机构件意义重大——较高的比强度，具有类似于钢的强度，却只有钢一半的重量；较低的热导率，使构件在特别低的温度下也不会变脆，在较高温度下也不会有明显的膨胀；较高的高温强度，可承受高达550℃的温度，也不致发生材料性能变化；较好的耐腐蚀性能，适于制造与碳纤维材料构件的连接件；以及较低的弹性模量，使构件具有抗塑性变形的能力等。
钛合金是很难切削的材料
然而，钛合金材料的这些优点却成了切削加工时的难点。难于切削钛合金的主要原因就在于其很差的热导率和较高的比热容，阻碍了通过切屑和工件把切削热从切削区传送出去的过程。大部分的热（约75%）传给了切削刀刃，在刀刃表面上发生扩散和粘结，形成积屑瘤。同时由于钛合金材料的高强度，切削时会产生较大的切削力。因此，刀具在加工过程中不得不承受很高的热负载和机械负载。钛合金的弹性模量低，在切削力作用下构件会产生变形，后又发生回弹，也会影响到构件的加工精度。
所以，切削钛合金时必须要处理的大问题是：由于刀具吸收的切削热太多，加快了刀具的磨损，所以被迫采用较低的切削速度，但这显然会降低加工效率和增加单件成本。例如，一个Ti6Al4V材质的涡轮增压压缩机叶轮，制造费用的50%就是用于切削加工的。
近几年来，特别是在飞机制造业中，钛合金零部件以及钛合金/碳纤维连接构件份额不断的增加，因此，提高切削加工钛合金材料的生产效率愈来愈具有重要的意义。
不难看出，解决钛合金材料的切削问题在于采用耐高温的硬质合金刀具和对切削过程中的刀具进行有效冷却。为提高钛合金材料的切削效率和加工可靠性，有不少刀具生产厂家和高等院校开展了卓有成效的研究试验工作。在德国，特别是诸如Darmstadt工业大学、亚琛工业大学、Braunschweig工业大学以及Dortmund工业大学等院校，在钛合金切削机理、有限元模型分析、仿真、切削试验和采用不同冷却方式等方面均开展了一系列研究，其中，亚琛工业大学的机床实验室（WZL）还与伊斯卡（Iscar），肯纳金属（Kennametal），山高刀具（Seco Tools）和山特维克（Sandvik）等刀具厂，密切合作开展了包括高压冷却等技术的研究。
高压冷却是一种有效解决办法
研究表明，冷却刀具是解决钛合金切削难题的一种有效办法。目前，高效冷却刀具的技术开发，主要有两种发展途径。一种是采用高压冷却润滑；另一种是采用冷气进行冷却，即采用液态氮或液态二氧化碳（CO2）进行冷却，尤其是液氮（-196℃），这对于冷却铣刀是一种很有应用前途的冷却方式（图1）。
图1 在加工钛合金时，采用液氮进行冷却可
明显减少刀具的磨损。（资料来源：WZL）
在目前，考虑到高压冷却的良好冷却效果、现有加工中心和车削中心都配有冷却润滑设备、许多刀具厂家都能提供用于这种高压冷却的刀具、积累了许多实际使用经验（无论是车削还是铣削）等因素，采用通过主轴的高压冷却润滑液无疑是一种首选。
采用常规的大流量冷却方法，冷却润滑液到达不了切削刀刃和切屑之间的切削区（图2），不能有效地冷却切削刀刃。为实现有效冷却刀具，冷却润滑液的供给应以较高的压力和足够的流量，精确地对准切削刀刃和切屑之间的接触区（图3）。在这个接触区形成一个高能量冲击楔，由此缩短切屑和刀刃之间的接触时间，降低切削区温度，同时使切屑变脆，通过冷却和机械冲击力这两个效应的叠加，使切屑很快折断并排出，从而大大提高加工的可靠性，这也有利于实现切削过程的自动化。
高压冷却有助于提高生产效率nextpage
实践表明，通过高压冷却可提高50%的刀具耐用度。通过调节冷却润滑液的压力大小可以影响切屑的形状，改善断屑。通过Iscar公司的资料可以了解到不同冷却润滑液的压力下切屑成形的情况。在采用2MPa的压力进行大流量外冷却时，切屑成长条缠绕形的切屑（图4） ；当采用8MPa压力的内冷却时，切屑在高压冲击下被折断成小的弧形切屑（图5），如果采用30MPa超高压进行内冷却，这时就变成了针状形切屑（图6 ）。从这三个实例不难看出，通过高压冷却可以控制切屑的成形，提高切削过程的可靠性，并提高钛合金加工的切削用量。
图4 采用2MPa压力的冷却润滑液进行外部
冷却。此时，切屑成长条缠绕形的切屑。
图5 采用8MPa高压冷却润滑液进行内
部冷却。此时出现的是小的弧形切屑。
图6 采用30MPa高压冷却润滑液进行内
部冷却。此时出现的是针状形切屑。
需要注意的是：在冷却润滑液的压力低于7MPa时，冷却液会在切削刀刃的前面汽化形成汽泡，从而阻碍热传导。当采用大于7MPa的冷却液压力时，可消除这种汽泡，使冷却液直接喷到切削部位。
在钛合金加工时，主要采用机械夹固可转位片的刀具和整体硬质合金刀具。按常规，粗加工时的切削速度一般为50m/min左右，精加工的切削速度为200~300m/min，在采用高压冷却后，切削速度可提高20%，此时不会因切削速度提高而导致温度升高。如采用超高压冷却，同时采用CBN刀具，切削速度还可以进一步提高。但是，所用的超高压冷却润滑装置需要进行专门的配备。因为加工中心、车削中心和多功能复合机床所配备的冷却润滑装置的压力一般只有7~10MPa。
高压冷却为提高切削参数提供了条件。采用高的切削参数可以显着提高生产效率，大幅度降低单件费用。需要注意地是，虽然通过高压冷却刀具耐用度会提高50%，由于刀具费用一般只占制造费用的3%，所以这一步只能使单件费用减少1.5%。
采用高压冷却，要注意准确的协调压力、流量和喷嘴孔径之间的关系。根据Sandvik公司的资料，在刀具上使用1mm孔径的喷嘴，为保持压力，需要有5 l/min的冷却润滑液流量。因此，应选择能产生最高压力且可以最佳利用冷却润滑液流量的喷嘴孔径大小。
对于铣削加工，采用多个刀片时必然配备了多个数量的喷嘴，所以需要较大的冷却润滑液流量。润滑系统流量不足的话会对喷嘴出口压力产生影响。此时，可考虑采用喷口直径小的喷嘴，以减少流量并保持冷却润滑液的喷射压力。
结语
高压冷却技术的优点，主要在于延长刀具寿命、控制切屑成形、提高切削速度和提高工件表面质量，并由此提高生产效率。高压冷却技术，不仅能有效地解决切削钛合金的加工难题，并且也可有效应用于镍基合金（例如Inconel 718— 铬镍铁合金718）、不锈钢和含碳量很低的钢等难切削材料的加工。
