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鈦和鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、比重輕和耐熱性好等優(yōu)良的綜合性能而廣泛應(yīng)用于航空和航天、醫(yī)療、化學(xué)以及石油等工業(yè)中。其中，特別是航空工業(yè)以70%的消費(fèi)量而成為諸如結(jié)構(gòu)件、起落架零件和渦輪結(jié)構(gòu)件等鈦產(chǎn)品的最大市場(chǎng)。盡管鈦材料的成本較高，然而鈦的使用還是在持續(xù)地增加。
鈦合金良好的物理和機(jī)械性能，對(duì)于飛機(jī)構(gòu)件具有十分重要的意義：較高的比強(qiáng)度，具有類似于鋼的強(qiáng)度，卻只有鋼一半的重量；較低的熱導(dǎo)率，這使構(gòu)件在特別低的溫度下，不會(huì)變脆，而在較高溫度下又不會(huì)產(chǎn)生明顯的膨脹；較高的高溫強(qiáng)度，耐高溫可達(dá)550℃，而不致發(fā)生材料性能變化；較好的耐腐蝕性能，因此，鈦合金可用于制造與碳纖維材料構(gòu)件相連接的連接件，以替代易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的鋁與碳纖維材料的連接；以及較低的彈性模量，使構(gòu)件具有抗塑性變形的能力等等。
在飛機(jī)工業(yè)中，對(duì)于鈦合金的結(jié)構(gòu)件，其材料切除量要達(dá)到90%。而像波音B-787這樣的大型飛機(jī)則是從超過90噸鈦合金加工成總重量約為11噸的眾多不同構(gòu)件。但是，為了盡可能降低加工成本，值得去追求較高的材料切除率。然而在最近十年里鈦材料切除率只是增加了一倍，而鋁的材料切除率卻增加了5倍。目前，鋁的材料切除率已達(dá)到10L/min或更高些，而對(duì)于鈦的切削剛剛達(dá)到0.5L/min。
鑒于近幾年來，特別是在飛機(jī)制造業(yè)中，鈦合金零部件以及鈦合金/碳纖維連接構(gòu)件份額不斷的增加，提高切削加工鈦合金材料的生產(chǎn)效率愈來愈具有重要的意義。
鈦合金是很難切削的材料
然而，鈦合金材料的這些優(yōu)點(diǎn)卻成為其在切削加工時(shí)的難點(diǎn)。鈦合金材料之所以難以切削，一個(gè)主要原因之一是它很差的熱導(dǎo)率和較高的比熱容。這阻礙了通過切屑和工件把切削熱從切削區(qū)傳送出去。而大部分的熱（約75%）傳給了切削刀刃。很高的溫度促使在刀刃表面上發(fā)生擴(kuò)散和粘結(jié)，形成積屑瘤，并同時(shí)由于鈦合金材料的高強(qiáng)度，在切削時(shí)產(chǎn)生較大的切削力。因此，在加工過程中使刀具承受著很高的熱負(fù)載和機(jī)械負(fù)載。其次，鈦合金的彈性模量低，在切削力作用下構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生變形，后又發(fā)生回彈，從而影響到構(gòu)件的加工精度。
從這里可以看出，切削鈦合金所存在的主要問題是由于刀具吸收的切削熱太多，以至加快了刀具的磨損，迫使采用較低的切削速度，這顯然會(huì)降低加工效率和增加單件成本。例如，一個(gè)Ti6Al4V材質(zhì)的渦輪增壓壓縮機(jī)葉輪，其制造費(fèi)用的50%是用于切削加工的費(fèi)用。
不難看出，解決鈦合金材料的切削問題在于采用耐高溫的硬質(zhì)合金刀具和對(duì)切削過程中的刀具進(jìn)行有效冷卻。為提高鈦合金材料的切削效率和加工可靠性，有不少刀具生產(chǎn)廠家和高等院校開展了卓有成效的研究試驗(yàn)工作。在德國(guó)，特別是諸如Darmstadt工業(yè)大學(xué)、亞琛工業(yè)大學(xué)、Braunschweig工業(yè)大學(xué)、萊布尼茨漢諾威大學(xué)以及Dortmund工業(yè)大學(xué)等院校在鈦合金切削機(jī)理、有限元模型分析、仿真、刀具幾何角度、切削試驗(yàn)和采用不同冷卻方式等方面開展了一系列研究，其中亞琛工業(yè)大學(xué)的機(jī)床實(shí)驗(yàn)室（WZL）還與伊斯卡（Iscar），肯納金屬（Kennmetal），山高刀具（Seco Tools）和山特維克（Sandvik）等刀具廠密切合作開展了包括高壓冷卻等技術(shù)的研究，而萊布尼茨漢諾威大學(xué)的生產(chǎn)技術(shù)和機(jī)床研究所（IFW）由空中客車德國(guó)公司、肯納金屬、Paul Horn和Lehmann精密刀具等公司進(jìn)行資助，開展了“通過刀具開發(fā)，提高鈦材料銑削加工的材料切除率”項(xiàng)目的研究工作。
高壓冷卻是一種有效解決辦法
研究表明，對(duì)刀具進(jìn)行冷卻是解決鈦合金切削難題的一種有效辦法。目前，高效冷卻刀具的技術(shù)開發(fā)，主要有二種發(fā)展途徑。一種是采用高壓冷卻潤(rùn)滑，另一種是采用冷氣進(jìn)行冷卻，即采用液態(tài)氮（-196℃）或液態(tài)二氧化碳（CO2）（-65℃）進(jìn)行冷卻，尤其是液氮，這對(duì)于冷卻銑刀是一種很有應(yīng)用前景的冷卻方式。應(yīng)指出，采用氮冷卻或二氧化碳冷卻進(jìn)行輔助的切削是一種干式加工，這種干式冷卻不僅能冷卻刀具、有助快速斷屑和延長(zhǎng)刀具壽命外，仍具有干切削加工所具有的眾多經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和生態(tài)效益。
在目前，考慮到高壓冷卻的良好冷卻效果，以及現(xiàn)有加工中心和車削中心又都配有冷卻潤(rùn)滑設(shè)備，還有許多刀具廠家又都能提供用于這種高壓冷卻的刀具，并積累了許多實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)（無(wú)論是車削還是銑削），因此，采用通過主軸的高壓冷卻潤(rùn)滑液無(wú)疑是成為一種首選。
采用常規(guī)的大流量冷卻，冷卻潤(rùn)滑液到達(dá)不了切削刀刃和切屑之間的切削區(qū)，不能有效地冷卻切削刀刃。 為實(shí)現(xiàn)有效冷卻刀具，冷卻潤(rùn)滑液的供給應(yīng)以較高的壓力和足夠的流量，精確地對(duì)準(zhǔn)切削刀刃和切屑之間的接觸區(qū)。在這個(gè)接觸區(qū)形成一個(gè)高能量沖擊楔，由此縮短切屑和刀刃之間的接觸時(shí)間，降低切削區(qū)溫度，同時(shí)使切屑變脆，通過冷卻和機(jī)械沖擊力這兩個(gè)效應(yīng)的疊加，很快使切屑折斷并可靠排出，從而大大提高了加工的可靠性，由此也有利于實(shí)現(xiàn)切削過程的自動(dòng)化。
