鈦合金加工技術(shù),刀具材料
在航空、航天工業(yè)部門，用輕質(zhì)材料的輕型結(jié)構(gòu)件越來越多。輕質(zhì)材料除鋁合金外主要是鈦、鈦合金和碳素纖維增強型復(fù)合材料(以下簡稱CFK)及銦康鎳合金(Inconel)等。鈦和CFK的應(yīng)用日趨廣泛，如在空客A-330飛機上鋁構(gòu)件的重量占比仍達70%，而在A-350XWB飛機上，鋁構(gòu)件則減少為20%。CFK由5%以上。但由于CFK和鋁之間的電化學(xué)電位差大的原因，這兩種材料的接觸部位很容易產(chǎn)生腐蝕作用。而用鈦合金代替鋁時，這種引起腐蝕的電位差降低約80%，顯然在接觸部位鈦勝過作為輕金屬的鋁。因此，飛機制造商要求在接觸部位盡可能用鈦件替代鋁件。結(jié)果在新機型中，鈦制零件從5%增加到14%以上，具體在波音B-787和空客A-350飛機上，鈦合金構(gòu)件所占比例在15%～20%之間。
由于鈦和鈦合金具有重量輕、強度如鋼、比重只有一半，且堅固、韌性好、抗腐蝕、熱穩(wěn)定性好等非凡的特性，在航空和航天工業(yè)、生物醫(yī)藥，以及化學(xué)和石油工業(yè)中應(yīng)用廣泛。特別是在開發(fā)新飛機時，除CFK應(yīng)用增多外，由鈦合金制造的主要輕型構(gòu)件或渦輪機部件等都是由鈦或鈦合金制作的，所以，航空部門以70%以上的消費量構(gòu)成鈦產(chǎn)品的最大市場。而歐洲有專家估計，金融危機后的未來20年，世界主要飛機制造商將提供25000架客機和貨機�？梢�。CFK件以及鈦和鈦合金件的切削加工數(shù)量會快速增加。尤其是為了減小內(nèi)應(yīng)力，鈦或鈦合金部件通常是由整塊材料雕銑加工而成的。在飛機工業(yè)中，鈦結(jié)構(gòu)件的切除率可達90%以上。據(jù)報道波音B-787飛機的90多噸的鈦合金毛坯件，經(jīng)切削加工成成品結(jié)構(gòu)件后的總重量不足11t，可見切除量之大。鈦材料的高強度、耐磨、耐高溫等使用性能的優(yōu)點很突出。但其可切削性差，加工困難，加工費用較高。盡管如此，鈦在飛機制造中，現(xiàn)在已是不可或缺的材料。如何提高鈦合金件的加工效率、降低制造成本的研究探索一直沒有停止，并不斷取得進展。
大家知道，鈦合金材料的可切削性能很差，這是由于其彈性模量低、切削力大和導(dǎo)熱性差的緣故。尤其是因?qū)嵝圆�，鈦合金切削加工時的大部分熱量都留給了刀具，而不像鋁切削加工時那樣，75%以上的切削熱由切屑帶走了。這意味這刀具的熱負荷巨大，刀刃上的高溫，再加上溫度梯度大而導(dǎo)致刀刃上熱應(yīng)力增大，最終使刀具損壞。為了降低制造成本，提高切除率即單位時間內(nèi)的切除量是常用的方法，但用在加工鈦材料上就不那么簡單了。在飛機制造中，許多鈦合金構(gòu)件常用的加工方法是型腔銑削，加工質(zhì)量是頭等重要的。因此，鈦加工對機床、刀具和加工策略都提出了特殊要求。不同的結(jié)構(gòu)件自然要用不同的加工策略，但對機床和刀具提出了許多特殊要求，必須通盤考慮，予以解決。
我國航空、航天工業(yè)的快速發(fā)展，也要在生產(chǎn)中解決CFK和鈦合金的加工特點和加工技術(shù)方面的發(fā)展情況歸納探討如下。
一、鈦合金加工對機床的要求
鈦合金的特性是強度高、導(dǎo)熱性差。為了能達到像加工鋁那樣的切削效率，要盡可能提高切削參數(shù)，即加大金給和切深，從而導(dǎo)致加工切削力增大，這可能引起工件和刀具之間產(chǎn)生靜態(tài)偏差，進而引起零件的形狀精度變壞或加工過程不穩(wěn)定，還會加快刀具的磨損。為此，用于鈦合金加工的機床必須具有大功率和盡可能好的靜、動態(tài)特性(靜、動態(tài)剛度高);還需要配備相應(yīng)的高壓冷卻潤滑設(shè)備，以便在低轉(zhuǎn)速、大扭矩加工情況下及時清除切屑，以減少刀具磨損和減少加工過程中產(chǎn)生的熱量傳給刀具，為了提高機床的剛度，一些機床制造商采用箱中結(jié)構(gòu)或封閉式框架的焊接鋼結(jié)構(gòu);進給軸用大功率進給電機驅(qū)動和高剛度無間隙導(dǎo)向系統(tǒng)，到了加工位置能夾緊，以進一步提高機床剛度;此外，還必須提高包括主軸-刀具-鏈接部位，以及刀柄夾持器在內(nèi)的整個系統(tǒng)在加工過程中的剛度。
除了靜態(tài)剛度外，機床的動態(tài)特性對于卓有成效的鈦合金加工也是起決定性作用�？刂萍庸み^程的穩(wěn)定性是一個巨大挑戰(zhàn)。如果機床的剛性低和阻尼特性差，由于切削過程中切削力大、轉(zhuǎn)速較低和激振頻率與機床自身固有頻率相近等動力學(xué)效應(yīng)，可能出現(xiàn)自激振動，導(dǎo)致加工過程振顫。這種顫振除了影響工件表面質(zhì)量(有振紋)外，還會導(dǎo)致機床結(jié)構(gòu)、刀具株洲和刀具產(chǎn)生過載而受損。刀具磨損增大甚至斷裂。加工過程的穩(wěn)定性主要取決于所選用的主軸轉(zhuǎn)速、切深等參數(shù)。使用者要了解機床的性能和可能達到的極限切深，還可以主動積極地對機床采取諸加消振墊、在機床控制裝置里預(yù)先置入?yún)?shù)避開極限切深小的轉(zhuǎn)度范圍等防振措施，以進一步提高機床的抗震性。
鈦合金的切削加工屬于強力切削，所以機床刀具主軸要有大的驅(qū)動功率，具有大功率強力切削功能。在航空工業(yè)中，鈦合金構(gòu)件的加工以型腔銑削居多，為便于切屑清除，要管理好冷卻潤滑裝置，為便于切屑清除，要管理好冷卻潤滑裝置，使大量高壓冷卻潤滑劑直接噴香刀具切削刃。這樣，一方面冷卻刀具，另一方面可更好地及時把切屑沖出加工區(qū)，以免切屑遭多次切割而降低刀具壽命，擦傷加工面。為使機床具有大功率切削功能，德國Heller公司有針對性地設(shè)計、不知機床結(jié)構(gòu)和坐標軸結(jié)構(gòu)，并配用了剛度極好的強力切削擺動單元安裝刀具主軸，使機床在垂直、水平和空間任意角度都能產(chǎn)生同樣的切削功率。
一句話，加工鈦金屬的機床要求大功率、高剛度、配有大流量高壓冷卻裝置，并且還要接近性好。
二、適合鈦合金加工的刀具技術(shù)的
由于鈦的導(dǎo)熱性差，切削過程產(chǎn)生的熱量大部分留在了刀具和刀刃上，所以，加工鈦合金是一種條件惡劣的強力切削，刀具對于鈦合金加工的成功與否，起著不可替代的關(guān)鍵作用。加工鈦合金的刀具必須強度高、耐熱、耐磨損。飛機制造商希望使用的刀具壽命長，加工過程安全可靠。這對于一個刀具制造商來說，無疑是一個很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。面對需求和挑戰(zhàn)，許多刀具開發(fā)者和科研機構(gòu)及航空航天部門緊密合作，積極研究開發(fā)，大大推動了刀具技術(shù)的快速發(fā)展，一批適合切削鈦合金等難加工材料的高性能刀具新產(chǎn)品不斷問世。
例如，一個法國刀具制造商Safety公司專門為飛機制造而新開發(fā)的Aerolong和Aerofinish銑刀，主要用于飛機機身和起落架的深腔粗、精銑削加工。在起落架框架上粗銑深腔時，也可選用Safety的High-Feed(帶正五角形刀片的大進給平面銑刀)大功率銑刀或Orbi-Saf銑刀，精加工時用新的Aerofinish銑刀。雖然Sefety刀具的刀刃幾何形狀精確，刀具材料為新發(fā)明的大功率切削材料，刀具壽命也很好;但在加工鈦合金材料時，要提高切削速度和切屑厚度都會受到技術(shù)限制。若要進一步提高生產(chǎn)率，就要用耐磨的刀具材料并增加刀齒布置密度，以增加同時參與切削的刀刃數(shù)。為此，法國刀具專家開發(fā)了名為Sidelok的刀片夾緊系統(tǒng)。刀片沒有中心孔，而是用螺釘擰緊的方式使刀片牢固夾緊，因此更加穩(wěn)定，并在刀體上可提供多達2倍的刀片位置。雙倍的刀齒參與切削，直接增大了銑刀每轉(zhuǎn)進給量f，即f為每齒進給fz與刀齒數(shù)Z的乘積(f=fz*z)。這樣，生產(chǎn)率可提高50%。
