鈦合金以其強(qiáng)度高、機(jī)械功能好和耐腐蝕功能強(qiáng)等特色在航空制作業(yè)中的使用越來(lái)越廣泛， 隨著鈦合金在飛機(jī)上所占比重的不斷添加，鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工功率對(duì)航空制作企業(yè)的影響也越來(lái)越大。鈦合金屬于難加工材料，其相對(duì)切削性為0.15～0.25，加工功率僅為鋁合金的10%，因此鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的低加工功率嚴(yán)峻限制了現(xiàn)代飛機(jī)的批量生產(chǎn)。完成鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的高效加工成為了航空制作企業(yè)、數(shù)控設(shè)備制作商和刀具制作商共同重視的話題。
01
鈦合金切削加工功能
鈦合金具有機(jī)械功能好、抗腐蝕功能強(qiáng)以及比重小等特色。但是在加工中，鈦合金的切削加工功能很差，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1) 大切削力。鈦合金材料強(qiáng)度高，在切削時(shí)發(fā)生的切削阻力大，導(dǎo)致切削刃口發(fā)生很多的切削熱;
(2) 導(dǎo)熱率低。鈦合金熱擴(kuò)散率低，很多的切削熱會(huì)集在切削區(qū)域;
(3) 刀尖應(yīng)力大。鈦合金的塑性低，加工發(fā)生的切屑極易彎曲，導(dǎo)致切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度短，因此切削刃上單位面積存力增大，形成刀尖部位應(yīng)力會(huì)集;
(4) 摩擦力大。鈦合金的彈性模量小，形成前、后刀面的摩擦加劇;
(5) 化學(xué)活潑性高。鈦元素在高的切削溫度下，很容易與空氣中的氫、氧、氮等氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成外表硬層，加快刀具磨損。
02
鈦合金高效加工設(shè)備
為了滿意鈦合金結(jié)構(gòu)件的高效加工，新型的鈦合金加工設(shè)備呈現(xiàn)出如下發(fā)展趨勢(shì)：
(1) 大扭矩。鈦合金強(qiáng)度高，加工中切削力非常大，鈦合金加工機(jī)床的一個(gè)明顯特色就是主軸扭矩和擺角扭矩大。
(2) 電主軸的使用。大功率、大扭矩的電主軸已使用于鈦合金加工?！ ?/p>
(3) 臥式加工中心使用于鈦合金加工。臥式加工中心排屑便利，有利于進(jìn)步加工功率和加工質(zhì)量，可交換作業(yè)臺(tái)易于完成多工位加工并組建柔性生產(chǎn)線，進(jìn)步設(shè)備利用率。
(4) 高壓內(nèi)冷。鈦合金加工中切削熱會(huì)集在刀尖，易形成刀具磨損或損壞，高壓內(nèi)冷可準(zhǔn)確噴到切削區(qū)域帶走切削熱。
03
鈦合金高效加工刀具
鈦合金的切削加工性較差，傳統(tǒng)加工方式切削速度一般不超過(guò)60m/min。鈦合金的粗加工主要是以大切深、低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給的方式來(lái)取得最大的金屬去除率；精加工選用PVD涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行小切寬、大切深的高速銑削取得高效切削。因此鈦合金加工刀具主要圍繞如何在強(qiáng)力切削時(shí)防止振顫、減小切削力和降低切削溫度等方面進(jìn)行改進(jìn)：
04
鈦合金高效加工刀具
（1）鈦合金面銑加工：對(duì)鈦合金零件進(jìn)行面銑加工時(shí)，選用小切深、大進(jìn)給的銑削方式取得高效加工。大進(jìn)給銑削的原理是經(jīng)過(guò)減小刀具主偏角，使刀具在很高的進(jìn)給下仍然能保持很小的切屑厚度，以減小高進(jìn)給時(shí)的切削力，完成在低切削速度下取得很大的進(jìn)給量，添加單位切深下的金屬切除率。同時(shí)切削力部分垂直向上，切向力較小，消耗的功率也較小，該加工方法對(duì)機(jī)床的功率和剛性要求不高，使用非常廣泛。
（2）鈦合金槽腔加工：槽腔是鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的一個(gè)主要特征，材料去除率高，作業(yè)量大，因此槽腔加工是完成鈦合金零件高效加工的關(guān)鍵(見(jiàn)圖1)。大切深、低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給的強(qiáng)力切削以取得最大金屬去除率是鈦合金粗加工的有用方法。現(xiàn)在粗加工鈦合金的強(qiáng)力銑削刀具以玉米銑刀的功率最高而得到廣泛選用。
圖（1） 槽腔粗加工示意圖
（3）圓角加工技能：為減輕飛機(jī)重量，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的槽腔轉(zhuǎn)角處圓角一般較小，需要用直徑較小的銑刀進(jìn)行加工。因?yàn)樵趫A角處切削量突變，導(dǎo)致切削力改變非常大。在切削力突變的情況下，刀具容易發(fā)生振蕩，乃至出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)峻，加工功率低下。插銑是解決轉(zhuǎn)角加工功率的最佳途徑。插銑加工比慣例銑削振蕩小，走刀方式去除轉(zhuǎn)角余量的功率高。經(jīng)過(guò)不同直徑的插銑刀具對(duì)轉(zhuǎn)角處進(jìn)行插銑，可切除大部分轉(zhuǎn)角余量，再用立銑刀對(duì)插銑發(fā)生的殘留進(jìn)行清除，能夠大幅度進(jìn)步加工功率。
（4） 精密側(cè)銑技能：在精加工側(cè)壁時(shí)，利用銑削的斷續(xù)性來(lái)到達(dá)高速切削的目的，以進(jìn)步零件外表質(zhì)量及加工功率。精加工側(cè)面時(shí)，因?yàn)榍袑捫?，刀齒每轉(zhuǎn)過(guò)一周的切削時(shí)刻很短，即冷卻時(shí)刻很長(zhǎng)。在冷卻充分的情況下，其切削溫度能得到有用地控制，因此能夠大幅進(jìn)步切削速度來(lái)進(jìn)步加工功率，如圖2、圖3所示。用PVD涂層的全體硬質(zhì)合金銑刀或超密齒硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)
行鈦合金的高速切削精加工，能夠大幅進(jìn)步加工功率和加工精度。
（5）仿真優(yōu)化技能：鈦合金結(jié)構(gòu)零件在粗加工時(shí)切削余量會(huì)不斷改變。現(xiàn)在的CAM軟件所編制的NC程序往往只能設(shè)置固定的切削參數(shù)，為了防止局部程序因?yàn)榍邢髁窟^(guò)大形成對(duì)刀具、機(jī)床的沖擊，一般方法是經(jīng)過(guò)降低全體切削參數(shù)來(lái)確保刀具壽數(shù)和零件質(zhì)量，從而加工功率極為低下。Vericut的仿真優(yōu)化技能則可很好地解決該問(wèn)題。經(jīng)過(guò)Vericut軟件設(shè)置切削參數(shù)優(yōu)化庫(kù)，并用軟件進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)仿真對(duì)實(shí)踐加工余量和切削條件進(jìn)行猜測(cè)，根據(jù)加工余量和切削條件對(duì)程序中的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。既延長(zhǎng)了刀具壽數(shù)，確保了零件質(zhì)量，也進(jìn)步了加工功率。