鈦合金加工技術,刀具材料

在航空、航天工業部門，用輕質材料的輕型結構件越來越多。輕質材料除鋁合金外主要是鈦、鈦合金和碳素纖維增強型復合材料(以下簡稱CFK)及銦康鎳合金(Inconel)等。鈦和CFK的應用日趨廣泛，如在空客A-330飛機上鋁構件的重量占比仍達70%，而在A-350XWB飛機上，鋁構件則減少為20%。CFK由5%以上。但由于CFK和鋁之間的電化學電位差大的原因，這兩種材料的接觸部位很容易產生腐蝕作用。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、熱穩定性好等非凡的特性，在航空和航天工業、生物醫藥，以及化學和石油工業中應用廣泛。特別是在開發新飛機時，除CFK應用增多外，由鈦合金制造的主要輕型構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%以上的消費量構成鈦產品的最大市場。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量會快速增加。尤其是為了減小內應力，鈦或鈦合金部件通常是由整塊材料雕銑加工而成的。在飛機工業中，鈦結構件的切除率可達90%以上。據報道波音B-787飛機的90多噸的鈦合金毛坯件，經切削加工成成品結構件后的總重量不足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、切削力大和導熱性差的緣故。尤其是因導熱性差，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致刀刃上熱應力增大，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，許多鈦合金構件常用的加工方法是型腔銑削，加工質量是頭等重要的。因此，鈦加工對機床、刀具和加工策略都提出了特殊要求。不同的結構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、航天工業的快速發展，也要在生產中解決CFK和鈦合金的加工特點和加工技術方面的發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，即加大金給和切深，從而導致加工切削力增大，這可能引起工件和刀具之間產生靜態偏差，進而引起零件的形狀精度變壞或加工過程不穩定，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、動態特性(靜、動態剛度高);還需要配備相應的高壓冷卻潤滑設備，以便在低轉速、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構或封閉式框架的焊接鋼結構;進給軸用大功率進給電機驅動和高剛度無間隙導向系統，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的整個系統在加工過程中的剛度。

　　除了靜態剛度外，機床的動態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^程的穩定性是一個巨大挑戰。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、轉速較低和激振頻率與機床自身固有頻率相近等動力學效應，可能出現自激振動，導致加工過程振顫。這種顫振除了影響工件表面質量(有振紋)外，還會導致機床結構、刀具株洲和刀具產生過載而受損。刀具磨損增大甚至斷裂。加工過程的穩定性主要取決于所選用的主軸轉速、切深等參數。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先置入參數避開極限切深小的轉度范圍等防振措施，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動功率，具有大功率強力切削功能。在航空工業中，鈦合金構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，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公司有針對性地設計、不知機床結構和坐標軸結構，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的

　　由于鈦的導熱性差，切削過程產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挑戰。面對需求和挑戰，許多刀具開發者和科研機構及航空航天部門緊密合作，積極研究開發，大大推動了刀具技術的快速發展，一批適合切削鈦合金等難加工材料的高性能刀具新產品不斷問世。

　　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限制。若要進一步提高生產率，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。為此，法國刀具專家開發了名為Sidelok的刀片夾緊系統。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進給量f，即f為每齒進給fz與刀齒數Z的乘積(f=fz*z)。這樣，生產率可提高50%。