高速铣削在TC4钛合金、TC11钛合金等钛合金材料加工中的应用研究

本文针对钛合金材料的导热系数小，弹性模量低，化学活性高，结构件中弱刚性结构难加工这一难题，提出了弱刚性结构加工的工艺方法，刀具的合理选用以及工艺加工参数制定等，为钛合金结构件数控铣削探讨有效的加工方案。

引言 

由于钛合金材料具有轻质，高强度、耐高温等优异性能，如：用TC18钛合金代替高强度结构钢用于起落架，可实现飞机结构减重15%左右，因而在国外先进飞机的主承力件大量使用了新型高强度钛合金，如：美国的B-1轰炸机的机体结构材料中，钛合金约占21%；俄罗斯的伊尔-76飞机用钛量达到了机体结构重量的12.5%，从发展趋势看，欧美各国对于钛合金的使用量正在逐渐增加，同时也表明大量使用钛合金，特别是一些新型钛合金已成为航空设计的发展方向。但是航空航产品大多采用薄壁零件，其结构相对复杂，精度要求高，由于壁薄造成零件刚度较差，在切削力的作用下，易产生加工弯曲变形，壁厚尺寸上下不一致、导致超差。目前企业中常用的方法是在精加工反复铣削，由于钛合金导热系数小，弹性模量低（约为钢的1/2），化学活性高，较小的余量根本就?o法铣削掉，往往产生“少切”现象，为了保证零件尺寸只能靠手工打磨，大大增加了零件的加工周期，且有可能使零件表面产生过烧现象。 

1、钛合金结构件切削加工的难点 

1.1 切削温度高 

因为钛合金材料的导热系数小（约为钢的1/3～1/6），在加工钛合金时易产生高的切削温度。在相同条件下，加工钛合金产生的切削热比相同钢要高1倍多，加工产生的热量很难通过工件释放。钛合金比热系数小，加工时局部温度上升快，因此易造成刀具瞬时温度过高，使得刀尖会急剧磨损，以至于发生过烧现象。 

1.2 切削抗力大 

切削钛合金时的切削力与切削钢时的切削力基本相当，因此在切削过程中消耗的能量相同或者略低于钢。但是在切削钛合金时，主切削刃附近的应力非常高。这可能是由于在切削钛合金时前刀面上的刀屑接触区域通常很小（大约是在相同条件下切削钢的1/3），较大的切削应力导致工件在加工过程中出现让刀的现象，加工出的工件尺寸不协调。 

1.3 弱刚性结构的震颤 

震颤是加工钛合金弱刚性结构件时需要克服的一个重要问题，尤其是在精加工的时候，钛合金很低的弹性模量是切削过程中引起振动的首要原因。当受到切削力时，钛合金的变形量是碳钢的两倍。后刀面与被加工面的回弹量发生摩擦产生振动，同时也产生了很高的切削温度。切削钛合金时很高的动态切削力是造成震颤的部分原因，其数值可以达到静态力的30%以上，这是由于钛合金切屑形成过程中的塑性剪切过程造成的。由于切削震颤的影响，铣削后的工件表面质量很难达到精度要求。 

2、钛合金结构件零件的切削加工解决方案 

影响钛合金弱刚性结构加工的主要因素有：机床刚性，刀具的选用、工艺参数、有效的冷却等。在加工过程中，各种因素作用，交互影响，变形误差的累积致使加工出的弱刚性结构件超差，加工变形难以控制（图1）。 

2.1 机床的选用 

机床-夹具-刀具的系统刚性要好，机床各部件间的间隙要调整好，主轴径向跳动要小，尽量采用这样机床. 

2.2 刀具的选用 

切削生产率的提高主要是发展和应用新型的刀具材料的结果。过去几十年里，切削刀具有了很大的发展，包括硬质合金涂层，陶瓷，立方氮化硼，多晶金刚石。这些用来加工铸铁、钢和高温合金是有效的。但是没有一种刀具能够改善钛合金的切削加工性，这是因为切削钛合金的刀具材料要求具有非常重要的性能，这些包括：1）良好的热硬性以抵抗很高的应力；2）良好的导热性以降低热梯度和热冲击；3）良好的化学惰性以降低与钛发生化学反应的趋势；4）良好的韧性和抗疲劳能力以适应切屑分割过程。在几乎所有的钛合金切削加工过程中，碳化钨类（WC/co）硬质合金刀具被认为是性能最好的。一些试验表明所有的硬质合金涂层刀具其磨损率大于那些未涂层的刀具。虽然现在的陶瓷刀具质量已经得到了提高并且越来越多的用于加工难切削材料，尤其是那些高温合金（例如镍基高温合金），但是由于其导热性能差、断裂韧性低并且与钛发生反应，所以他们并没有取代硬质合金和高速钢。超硬切削刀具材料（立方氮化硼和多晶金刚石）在切削钛合金时的磨损率低，因而显示出良好的性能。 

钛合金弱刚性结构件铣削过程存在的主要问题是薄壁的铣削变形问题。由于钛合金的弹性模量低，而切削力相对较大，所以薄壁在铣削过程中受到铣削力的作用很容易产生让刀变形，其结果是加工后薄壁的实际厚度大于理论厚度。解决这一问题应该是尽可能的减小在铣削过程中薄壁所受的来自于垂直被加工表面方向的造成薄壁让刀变形的力。 

2.3 切削液 

钛合金具有强度高、抗氧化性、耐高温等提点，在满足高性能使用要求的同时，也给切削加工带来了很多的难题。在切削钛合金时，为了降低切削温度，应当向切削区域浇注大量的以冷却为主的切削液，用以把刀刃的热量带走和冲走切屑，以降低切削力。因此对切削液的要求是导热系数大、热容量大、流速快、流量大。冷却最好的方法就是高压冷却法，切削液流量不小于15～20L/min。一般使用的切削液有三类，即水或碱性溶液，水基可溶性油质溶液和非水可溶性油质溶液。 

3、结论 

本文概括了钛合金结构件的加工难点以及弱刚性结构加工变形影响因素，从机床的选用、刀具的选用、有效的冷却等几个方面提出了弱刚性结构件加工变形的控制方法。 

参考文献 

[1] 李德华，钛合金切削加工刀具材料选用与加工工艺，湖北航天科技，2000（5）. 

[2] 魏丽，郑联语.改进薄壁零件数控加工质量的进给量局部优化方法[J].航空精密制造技术，2001. 

[3] 武凯，何宁.薄壁腹板加工变形规律及其变形控制方案的研究[J].中国机械工程，2004. 

[4] 黄志刚.航空整体结构件铣削加工变形的有限元模拟理论及方法研究[D].杭州：浙江大学，2003.

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