摘要：近年來，對汽車和飛機(jī)零件高強度化和輕量化的要求越來越高。因此，這些零件所使用材料中的鈦、鎳合金等也在不斷增加。這種材料一般稱為切削加工性差的“難切削材料”。加工此類材料的切削刀具也必須能夠適應(yīng)難切削材料特有的加工條件和加工方法。飛機(jī)機(jī)身部件以及噴氣發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)零部件越來越多地采用了鈦合金。在波音公司最新型的B787-8噴氣客機(jī)中，每架飛機(jī)的鈦合金使用量已增加到10噸左右。

關(guān)鍵字：航空航天  鈦合金  加工工藝 材料  飛機(jī)

       近年來，對汽車和飛機(jī)零件高強度化和輕量化的要求越來越高。因此，這些零件所使用材料中的鈦、鎳合金等也在不斷增加。這種材料一般稱為切削加工性差的“難切削材料”。加工此類材料的切削刀具也必須能夠適應(yīng)難切削材料特有的加工條件和加工方法。飛機(jī)機(jī)身部件以及噴氣發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)零部件越來越多地采用了鈦合金。在波音公司最新型的B787-8噴氣客機(jī)中，每架飛機(jī)的鈦合金使用量已增加到10噸左右。目前，金屬鈦生產(chǎn)的工業(yè)方法是可勞爾法，產(chǎn)品為海綿鈦。制取鈦材傳統(tǒng)的工藝是將海綿鈦經(jīng)熔鑄成錠，再加工而成鈦材。

       鈦采用塑性加工，加土尺寸不受限制，又能夠大批量生產(chǎn)，但成材率低，加工過程中產(chǎn)生大量廢屑?xì)埩稀?/p>

       針對鈦塑性加工的上述缺點，近年來發(fā)展了鈦的粉末冶金工藝。鈦的粉末冶金流程與普通粉末冶金相同，只是燒結(jié)必須要在真空下進(jìn)行。它適用乎生產(chǎn)大批量、小尺寸的零件，特別適用于生產(chǎn)復(fù)雜的零部件。這種方法幾乎無須再經(jīng)過加工處理，成材率高，既可充分利用鈦廢料作原料，又可以降低生產(chǎn)成本，但不能生產(chǎn)大尺寸的鈦件。鈦合金即在工業(yè)純鈦中加入合金元素，以提高鈦的強度。鈦合金可分三種：a鈦合金，b鈦合金和a＋b鈦合金。a b鈦合金是由a和b雙相組成，這類合金組織穩(wěn)定，高溫變形性能、韌性、塑性較好，能進(jìn)行淬火、時效處理，使合金強化。鈦合金的性能特點主要表現(xiàn)在：

1) 比強度高。鈦合金密度小(4.4kg/dm3)重量輕，但其比強度卻大于超高強度鋼。

2) 熱強性高。鈦合金的熱穩(wěn)定性好，在300～500℃條件下，其強度約比鋁合金高10倍。

3) 化學(xué)活性大。鈦可與空氣中的氧、氮、一氧化碳、水蒸氣等物質(zhì)產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)，在表面形成TiC及TiN硬化層。

       導(dǎo)熱性差。鈦合金導(dǎo)熱性差，鈦合金TC4在200℃時的熱導(dǎo)率l=16.8W/m·℃，導(dǎo)熱系數(shù)是0.036卡/厘米·秒·℃。

1.刀具材料的選擇

       刀具材料選用應(yīng)滿足下列要求：

1）足夠的硬度。刀具的硬度必須要遠(yuǎn)大于鈦合金硬度。

2）足夠的強度和韌性。由于刀具切削鈦合金時承受很大的扭矩和切削力，因此必須有足夠的強度和韌性。

3）足夠的耐磨性。由于鈦合金韌性好，加工時切削刃要鋒利，因此刀具材料必須有足夠的抗磨損能力，這樣才能減少加工硬化。這是選擇加工鈦合金刀具最重要的參數(shù)。

4）刀具材料與鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學(xué)活性高，因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴(kuò)散而成合金，造成粘刀、燒刀現(xiàn)象。

2.精度、條件和正確的切削參數(shù)

       經(jīng)過對國內(nèi)常用刀具材料和國外刀具材料進(jìn)行試驗表明，采用高鈷刀具效果理想，鈷的主要作用能加強二次硬化效果，提高紅硬性和熱處理后的硬度，同時具有較高的韌性、耐磨性、良好的散熱性。

銑刀的幾何參數(shù)

       鈦合金的加工特性決定刀具的幾何參數(shù)與普通刀具存在著較大區(qū)別。

       螺旋角β 選擇較小的螺旋升角，排屑槽增大，排屑輕易，散熱快，同時也減小切削加工過程中的切削抗力。

       前角γ 切削時刃口鋒利，切削輕快，避免鈦合金產(chǎn)生過多切削熱，從而避免產(chǎn)生二次硬化。

       后角α 減小刀刃的磨損速度，有利于散熱，耐用度也得到很大程度的提高。

切削參數(shù)選擇

       鈦合金機(jī)加工應(yīng)選擇較低的切削速度，適當(dāng)大的進(jìn)給量，合理的切深和精加工量，冷卻要充分。

       切削速度Vc Vc=30～50m/min

       進(jìn)給量f 粗加工時取較大進(jìn)給量，精加工和半精加工取適中的進(jìn)給量。

       切削深度ap ap=1/3d為宜，鈦合金親合力好，排屑困難，切削深度太大，會造成刀具粘刀、燒刀、斷裂現(xiàn)象。

       精加工余量αc適中鈦合金表面硬化層約0.1~0.15mm，余量太小，刀刃切削在硬化層上，刀具輕易磨損，應(yīng)該避免硬化層加工，但切削余量不宜過大。

3.鈦合金的加工方法

       （1） 將刀尖溫升控制到最小程度

①切削速度不宜過高（40～60m/min）

切削速度過高會產(chǎn)生大量切削熱，導(dǎo)致刀具壽命降低，因此應(yīng)避免采用過高的切削速度。

②縮短刀具與工件的接觸時間

       刀具與工件接觸時間越長，產(chǎn)生的熱量就越多，會導(dǎo)致刀具壽命降低。而刀具直徑越大，接觸時間就越長，因此在允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能使用小直徑刀具。

③不宜加大切削寬度

       切削寬度越大，接觸時間越長，會增加發(fā)熱量。因此，加工時不宜加大切削寬度，而通過增加切削長度來提高加工效率。使用長刃刀具等對于粗加工很有效。切削寬度小的臺肩銑削能減少切削熱，使提高切削速度成為可能。

④使用45°主偏角刀具

       只要工件形狀允許，應(yīng)盡可能使用45°主偏角的刀具，以減薄切屑，延長刀具壽命。

⑤充分使用切削液，提高冷卻效果

       充分使用切削液，尤其是15MPa以上的超高壓切削液，以降低刀尖溫度、改善切屑處理效果、防止產(chǎn)生積屑瘤。從而能夠提高切削速度和生產(chǎn)率。

（2）提高刀具剛性

       通過縮短刀具懸伸長度、增大刀具直徑，可提高刀具剛性、減小刀具撓曲度。在因工件形狀必須采用較大懸伸量的場合，應(yīng)用插銑加工也很有效。

（3）鋸齒切削刃刀具的使用

       由于鋸齒切削刃可減小接觸寬度，從而可減少熱量的產(chǎn)生。此外，切削液可從鋸齒之間到達(dá)被切削面，因此鋸齒切削刃刀具對鈦合金的加工十分有效。

       鈦的各種屬性使之成為具有強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。鈦具備優(yōu)良的強度-重量比，其密度通常僅為鋼的60%。鈦的彈性系數(shù)比鋼低，因此質(zhì)地更堅硬，撓曲度更好。鈦的耐侵蝕性也優(yōu)于不銹鋼，而且導(dǎo)熱性低。這些屬性意味著鈦金屬在加工過程中會產(chǎn)生較高和較集中的切削力。它容易產(chǎn)生振動而導(dǎo)致切削時出現(xiàn)震顫；并且，它在切削時還容易與切削刀具材料發(fā)生反應(yīng)，從而加劇月牙洼磨損。此外，它的導(dǎo)熱性差，由于熱主要集中在切削區(qū)，因此加工鈦金屬的刀具必須具備高熱硬度。

4.穩(wěn)定性是成功的關(guān)鍵所在

       某些機(jī)加工車間發(fā)現(xiàn)鈦金屬難以有效加工，但這種觀點并不代表現(xiàn)代加工方法和刀具的發(fā)展趨勢。之所以困難，部分是因為鈦金屬加工是新興工藝，缺少可借鑒的經(jīng)驗。此外，困難通常與期望值及操作者的經(jīng)驗相關(guān)，特別是有些人已經(jīng)習(xí)慣了鑄鐵或低合金鋼等材料的加工方式，這些材料的加工要求一般很低。相比之下，加工鈦金屬似乎更困難些，因為加工時不能采用同樣的刀具和相同的速率，并且刀具的壽命也不同。即便與某些不銹鋼相比，鈦金屬加工的難度也仍然要高。我們固然可以說，加工鈦金屬必須采取不同的切削速度和進(jìn)給量以及一定的預(yù)防措施。其實與大多數(shù)材料相比，鈦金屬也是一種完全可直接加工的材料。只要鈦工件穩(wěn)定，裝夾牢固，機(jī)床的選擇正確，動力合適，工況良好，并且配備具有較短刀具懸伸的ISO50主軸，則所有問題都會迎刃而解——只要切削刀具正確的話。

5.必須考慮振動和熱

       非理想環(huán)境還包含其它因素，其中之一就是，大多數(shù)機(jī)床目前裝配的是IS040主軸。如果高強度地使用機(jī)床，就無法長時間保持新刀狀態(tài)。此外，如果零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的話，通常就不易有效夾緊。當(dāng)然挑戰(zhàn)還不止于此，切削工序有時必須用于全槽銑、側(cè)削或輪廓銑削，所有這些都有可能(但并非必定)產(chǎn)生振動及形成較差的切削條件。重要的是，在設(shè)定機(jī)床時，必須始終注意提高穩(wěn)定性以避免振動趨勢。振動會造成刀刃崩碎、刀片損壞并產(chǎn)生不可預(yù)見和不一致的結(jié)果。一種改進(jìn)措施便是采用多級夾緊，使零件更靠近主軸以有助于抵消振動。

       鈦合金的優(yōu)點：①重量輕；②比強度高；③耐金屬疲勞；④化學(xué)性能穩(wěn)定。

       鈦合金的缺點：①切削加工性差；②溫度超過400℃則強度降低（因此用于發(fā)動機(jī)的低溫部分）。

       鈦和鈦合金塑性加工具有變形抗力大；常溫塑性差、屈服極限和強度極限比值高、回彈大、對缺口敏感、變形過程易與模具粘結(jié)、加熱時又易吸咐有害氣等特點，塑性加工較鋼、銅困難。

       故鈦和鈦合金的加工工藝必須考慮它們的這些特點。

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