鈦合金車削加工的基本原理_www.nmware.com

首先，鈦合金的彈性模數(shù)小，其中TC4的彈性模量E=110GPa，約為鋼的一半，而且導(dǎo)熱性低，因而由切削力所引起的被加工件彈性變形大，同時在加工過程中會產(chǎn)生較高和較集中的切削力。這樣就容易產(chǎn)生振動而導(dǎo)致切削時出現(xiàn)震顫，降低工件精度，因此要改善加工系統(tǒng)的剛性。其次，鈦合金在切削加工中所產(chǎn)生的局部高溫，使鈦很容易吸收大氣中的氧和氮，從而形成又硬又脆的外皮。這就會造成工件加工表面的加工硬化現(xiàn)象，而且加工硬化速度快，使得刀具表面產(chǎn)生嚴(yán)重的劃痕，容易在切削過程中產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。除此之外，鈦合金材料本身的物理和化學(xué)性能使其切削加工時與工件親和力大，切削加工時刀具與工件接觸時易產(chǎn)生黏刀現(xiàn)象，增大了刀具與工件間的摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱。由此產(chǎn)生的大量切削熱無法及時通過切屑散發(fā)出去，大大降低了刀具的使用壽命。因此加工鈦合金的刀具必須具備高熱硬度。

這里的鈦合金加工可以被看作是一項系統(tǒng)工程，需要從加工設(shè)備、切削刀具、切削參數(shù)、冷卻液等多個角度進(jìn)行考慮。就加工設(shè)備而言，鈦合金加工需要機(jī)床加工性能好，冷卻充分，所以加工設(shè)備選擇加工精度較高的數(shù)控車床，加工時主軸震動極小加工穩(wěn)定性好。用于鈦合金加工的刀具材料的硬度及耐磨性要好，具有極好的耐熱性、在高溫下能保持較高的強(qiáng)度及韌性，以及一定的抗沖擊性和抗破壞性。滿足以上要求的刀具有：陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具、立方氮化硼刀具(CBN)及類金剛石刀具(PCD)等。其中涂層硬質(zhì)合金刀具價格低廉，且具有良好的導(dǎo)熱性和較高的硬度，在紅硬性和韌性等方面也表現(xiàn)出色，雖然比陶瓷、立方氮化硼刀具(CBN)、類金剛石刀具的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性要差一些，但比陶瓷和類金剛石刀具具有較高的抗沖擊性和抗破壞性。因此已成為加工鈦合金的首選刀具。

隨著航空航天領(lǐng)域發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，鈦合金的使用比重越來越大：鈦合金憑借優(yōu)異的綜合力學(xué)性能、密度小、抗腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為飛機(jī)發(fā)動機(jī)理想的制造材料。在航空發(fā)動機(jī)燃油控制系統(tǒng)中，鈦合金已逐步取代耐熱鋼、不銹鋼等材料，成為各類連接件、緊固件等部件的首選材料。但同時，鈦合金的硬度高、耐磨性高等特點(diǎn)也給加工帶來了極大的挑戰(zhàn)，尤其是切削刀具，因鈦合金的切削性差而導(dǎo)致刀具磨損快等加工難題頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了加工精度和效率。因此，中航西控主要通過對鈦合金材料切削加工性能的分析，選用合理的加工刀具，確定較優(yōu)的切削參數(shù)和加工工藝，來找到適合在數(shù)控車床上對鈦合金軸類零件進(jìn)行粗加工和精加工的有效途徑。

目前，許多機(jī)床制造大型鋁合金等輕金屬高效高速加工數(shù)控機(jī)床，如果是用于高溫合金等高強(qiáng)度鋼，不銹鋼制品加工，鈦和航空航天等難加工金屬材料具有高強(qiáng)度和高硬度達(dá)到加工顯然是不合適的，雖然它也可以被切割的硬質(zhì)合金材料，但其切削效率往往是不可接受的。主要原因是：正如前面所提到的硬質(zhì)合金材料，鈦和其他處理需要較大的切削力，或需要高扭矩主軸，高效高速數(shù)控機(jī)床主軸通常用于鋁等輕金屬切削扭矩多數(shù)小于100nm，一般不超過200nm，沒有硬質(zhì)合金高效加工鈦和能力材料切割。如前所述，加工鈦合金等硬合金材通常僅允許使用較低切削速度，即僅能使用較低主軸轉(zhuǎn)速，而典型用于鋁合金等輕合金材的切削加工的高效高速數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速范圍和目前鈦合金材加工工藝要求不相適應(yīng)。因此，對用于鈦合金材加工的數(shù)控加工機(jī)床結(jié)構(gòu)、剛性、動態(tài)特性、主軸與坐標(biāo)驅(qū)動、冷卻系統(tǒng)、刀具與刀具接口以及控制系統(tǒng)等許多關(guān)鍵數(shù)控部件的設(shè)計制造都提出了新要求。主要包含如下若干方面基本要求。

鈦的各種屬性使之成為具有強(qiáng)大吸引力的零件材料，但其中許多屬性同時也影響著它的可加工性。工業(yè)中常用鈦合金為兩相鈦合金，即(α+β)鈦合金，在航空發(fā)動機(jī)燃油附件中常用TC4、TC6，其中TC4是這類合金的典型代表。鈦合金材料硬度高、切削性能差，且易產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，給切削加工帶來了困難。針對鈦合金中TC4這類材料的零件，尤其是車削加工工藝，中航西控做了較為深入的研究，并取得了一些經(jīng)驗。在車削參數(shù)方面，鈦合金加工也是需要更多考量的。如切削速度的設(shè)定，過高的切削速度會導(dǎo)致切削熱升高，刀具切削刃過熱、粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，刀具磨損加重，會縮短刀具使用壽命;同時會導(dǎo)致鈦合金工件表層開裂或氧化，影響工件的力學(xué)性能，所以應(yīng)在保證較大的刀具耐用度下，選擇適當(dāng)較低的切削速度，降低加工成本并保證加工質(zhì)量。其次是切削深度的設(shè)定，因鈦合金工件加工前須進(jìn)行預(yù)備熱處理，使得工件表面有一層氧化層，為提高刀具的耐用度應(yīng)采用相對較大的切削深度，可以直接切入鈦合金機(jī)體未氧化的金屬層，提高刀具使用壽命。另外一個參數(shù)設(shè)定時需要考慮的是進(jìn)給量，進(jìn)給量的大小對產(chǎn)生切削溫度的大小影響不是很大，在保證加工效率的前提下，減小切削速度增大進(jìn)給量是合理的切削方式。為保證加工質(zhì)量及提高刀具的耐用度，還應(yīng)考慮到冷卻液的使用，比如要充分對加工區(qū)域進(jìn)行冷卻，冷卻液不僅可以有效降低切削溫度，還可以減少切削時對刀具的黏結(jié)現(xiàn)象，提高效率，延長刀具使用壽命。

從金屬切削加工基本原理可知，對金屬材銑削加工時有：mrr = aeapzfZ n×10-3 = PS×MRF（cm3/min） （1）從式（1）與（2）可看出，為取得高金屬切除率mrr，作為鈦合金材HEM-HSM加工的數(shù)控機(jī)床之主軸首先應(yīng)具有足夠高的功率。目前，對鈦合金材（Ti-6-4）主軸功率指數(shù)SPF典型為0.06kW/cm3?min-1，為典型鋁合金材的4倍。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，綜合考慮到刀具使用壽命、機(jī)床特性、加工精度和加工質(zhì)量等諸多因素的約束，目前銑削鈦合金材（Ti-6-4）所能取得的金屬切除率mrr約40~700cm3/min（典型100~400cm3/min），僅為鋁合金材的5~10%。因而，加工鈦合金材時所需的主軸功率可能反而比加工鋁合金材時低，盡管其SPF高于鋁合金材。加工如鈦合金材時主軸功率為22.5kW，而加工如鋁合金材時主軸功率為70 kW比較合適的。目前，用于鈦合金材零件HEM-HSM切削加工的數(shù)控MC機(jī)床，其典型主軸功率為30~60kW，并呈現(xiàn)出逐年提高的趨勢，目前最高已超過100kW。同時，由式（3）可看出：對確定主軸功率，為取得大切削力（高轉(zhuǎn)矩），則應(yīng)采用較低主軸轉(zhuǎn)速（較低切削速度），或說要求主軸能提供足夠高的額定功率/轉(zhuǎn)速比，通常要求大于0.1。這就要求作為鈦合金材HEM-HSM加工的數(shù)控機(jī)床之主軸額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)不低于1,000Nm數(shù)量級。主軸特性曲線趨勢放大。通常，對鈦合金材HEM加工時要求主軸轉(zhuǎn)速低于1,000 r/min，典型為200~400 r/min，要求主軸轉(zhuǎn)矩300~1,500Nm；HSM加工時典型主軸轉(zhuǎn)速為3,000~8,000r/min，典型轉(zhuǎn)矩為80~250Nm。高效加工（HEM）新型鈦合金材（Ti-5-5-5-3）或航空高溫合金材則要使用更低主軸轉(zhuǎn)速，甚至低于100r/min，要求主軸能提供更大轉(zhuǎn)矩，甚至超過2,000~3,000Nm。右圖給出了目前用于鈦合金材HEM-HSM加工時較理想的主軸功率/轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線趨勢。顯然，這是一種高功率高轉(zhuǎn)矩寬低轉(zhuǎn)速調(diào)控的主軸特性曲線，和用于鋁合金材HEM-HSM加工的高功率高轉(zhuǎn)速寬轉(zhuǎn)速調(diào)控的主軸特性曲線有明顯不同。正因為這種明顯差別，有人形象地將鋁合金材HEM-HSM加工機(jī)床比喻為F1賽車，而將鈦合金材HEM-HSM加工機(jī)床比喻為重型推土機(jī)。