本文針對鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)小，彈性模量低，化學(xué)活性高，結(jié)構(gòu)件中弱剛性結(jié)構(gòu)難加工這一難題，提出了弱剛性結(jié)構(gòu)加工的工藝方法，刀具的合理選用以及工藝加工參數(shù)制定等，為鈦合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控銑削探討有效的加工方案。

引言 

由于鈦合金材料具有輕質(zhì)，高強(qiáng)度、耐高溫等優(yōu)異性能，如：用TC18鈦合金代替高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼用于起落架，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重15%左右，因而在國外先進(jìn)飛機(jī)的主承力件大量使用了新型高強(qiáng)度鈦合金，如：美國的B-1轟炸機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)材料中，鈦合金約占21%；俄羅斯的伊爾-76飛機(jī)用鈦量達(dá)到了機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的12.5%，從發(fā)展趨勢看，歐美各國對于鈦合金的使用量正在逐漸增加，同時(shí)也表明大量使用鈦合金，特別是一些新型鈦合金已成為航空設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。但是航空航產(chǎn)品大多采用薄壁零件，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，精度要求高，由于壁薄造成零件剛度較差，在切削力的作用下，易產(chǎn)生加工彎曲變形，壁厚尺寸上下不一致、導(dǎo)致超差。目前企業(yè)中常用的方法是在精加工反復(fù)銑削，由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，彈性模量低（約為鋼的1/2），化學(xué)活性高，較小的余量根本就?o法銑削掉，往往產(chǎn)生“少切”現(xiàn)象，為了保證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產(chǎn)生過燒現(xiàn)象。 

1、鈦合金結(jié)構(gòu)件切削加工的難點(diǎn) 

1.1 切削溫度高 

因?yàn)殁伜辖鸩牧系膶?dǎo)熱系數(shù)小（約為鋼的1/3～1/6），在加工鈦合金時(shí)易產(chǎn)生高的切削溫度。在相同條件下，加工鈦合金產(chǎn)生的切削熱比相同鋼要高1倍多，加工產(chǎn)生的熱量很難通過工件釋放。鈦合金比熱系數(shù)小，加工時(shí)局部溫度上升快，因此易造成刀具瞬時(shí)溫度過高，使得刀尖會(huì)急劇磨損，以至于發(fā)生過燒現(xiàn)象。 

1.2 切削抗力大 

切削鈦合金時(shí)的切削力與切削鋼時(shí)的切削力基本相當(dāng)，因此在切削過程中消耗的能量相同或者略低于鋼。但是在切削鈦合金時(shí)，主切削刃附近的應(yīng)力非常高。這可能是由于在切削鈦合金時(shí)前刀面上的刀屑接觸區(qū)域通常很小（大約是在相同條件下切削鋼的1/3），較大的切削應(yīng)力導(dǎo)致工件在加工過程中出現(xiàn)讓刀的現(xiàn)象，加工出的工件尺寸不協(xié)調(diào)。 

1.3 弱剛性結(jié)構(gòu)的震顫 

震顫是加工鈦合金弱剛性結(jié)構(gòu)件時(shí)需要克服的一個(gè)重要問題，尤其是在精加工的時(shí)候，鈦合金很低的彈性模量是切削過程中引起振動(dòng)的首要原因。當(dāng)受到切削力時(shí)，鈦合金的變形量是碳鋼的兩倍。后刀面與被加工面的回彈量發(fā)生摩擦產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)也產(chǎn)生了很高的切削溫度。切削鈦合金時(shí)很高的動(dòng)態(tài)切削力是造成震顫的部分原因，其數(shù)值可以達(dá)到靜態(tài)力的30%以上，這是由于鈦合金切屑形成過程中的塑性剪切過程造成的。由于切削震顫的影響，銑削后的工件表面質(zhì)量很難達(dá)到精度要求。 

2、鈦合金結(jié)構(gòu)件零件的切削加工解決方案 

影響鈦合金弱剛性結(jié)構(gòu)加工的主要因素有：機(jī)床剛性，刀具的選用、工藝參數(shù)、有效的冷卻等。在加工過程中，各種因素作用，交互影響，變形誤差的累積致使加工出的弱剛性結(jié)構(gòu)件超差，加工變形難以控制（圖1）。 

2.1 機(jī)床的選用 

機(jī)床-夾具-刀具的系統(tǒng)剛性要好，機(jī)床各部件間的間隙要調(diào)整好，主軸徑向跳動(dòng)要小，盡量采用這樣機(jī)床. 

2.2 刀具的選用 

切削生產(chǎn)率的提高主要是發(fā)展和應(yīng)用新型的刀具材料的結(jié)果。過去幾十年里，切削刀具有了很大的發(fā)展，包括硬質(zhì)合金涂層，陶瓷，立方氮化硼，多晶金剛石。這些用來加工鑄鐵、鋼和高溫合金是有效的。但是沒有一種刀具能夠改善鈦合金的切削加工性，這是因?yàn)榍邢麾伜辖鸬牡毒卟牧弦缶哂蟹浅Ｖ匾男阅埽@些包括：1）良好的熱硬性以抵抗很高的應(yīng)力；2）良好的導(dǎo)熱性以降低熱梯度和熱沖擊；3）良好的化學(xué)惰性以降低與鈦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的趨勢；4）良好的韌性和抗疲勞能力以適應(yīng)切屑分割過程。在幾乎所有的鈦合金切削加工過程中，碳化鎢類（WC/co）硬質(zhì)合金刀具被認(rèn)為是性能最好的。一些試驗(yàn)表明所有的硬質(zhì)合金涂層刀具其磨損率大于那些未涂層的刀具。雖然現(xiàn)在的陶瓷刀具質(zhì)量已經(jīng)得到了提高并且越來越多的用于加工難切削材料，尤其是那些高溫合金（例如鎳基高溫合金），但是由于其導(dǎo)熱性能差、斷裂韌性低并且與鈦發(fā)生反應(yīng)，所以他們并沒有取代硬質(zhì)合金和高速鋼。超硬切削刀具材料（立方氮化硼和多晶金剛石）在切削鈦合金時(shí)的磨損率低，因而顯示出良好的性能。 

鈦合金弱剛性結(jié)構(gòu)件銑削過程存在的主要問題是薄壁的銑削變形問題。由于鈦合金的彈性模量低，而切削力相對較大，所以薄壁在銑削過程中受到銑削力的作用很容易產(chǎn)生讓刀變形，其結(jié)果是加工后薄壁的實(shí)際厚度大于理論厚度。解決這一問題應(yīng)該是盡可能的減小在銑削過程中薄壁所受的來自于垂直被加工表面方向的造成薄壁讓刀變形的力。 

2.3 切削液 

鈦合金具有強(qiáng)度高、抗氧化性、耐高溫等提點(diǎn)，在滿足高性能使用要求的同時(shí)，也給切削加工帶來了很多的難題。在切削鈦合金時(shí)，為了降低切削溫度，應(yīng)當(dāng)向切削區(qū)域澆注大量的以冷卻為主的切削液，用以把刀刃的熱量帶走和沖走切屑，以降低切削力。因此對切削液的要求是導(dǎo)熱系數(shù)大、熱容量大、流速快、流量大。冷卻最好的方法就是高壓冷卻法，切削液流量不小于15～20L/min。一般使用的切削液有三類，即水或堿性溶液，水基可溶性油質(zhì)溶液和非水可溶性油質(zhì)溶液。 

3、結(jié)論 

本文概括了鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工難點(diǎn)以及弱剛性結(jié)構(gòu)加工變形影響因素，從機(jī)床的選用、刀具的選用、有效的冷卻等幾個(gè)方面提出了弱剛性結(jié)構(gòu)件加工變形的控制方法。 

參考文獻(xiàn) 

[1] 李德華，鈦合金切削加工刀具材料選用與加工工藝，湖北航天科技，2000（5）. 

[2] 魏麗，鄭聯(lián)語.改進(jìn)薄壁零件數(shù)控加工質(zhì)量的進(jìn)給量局部優(yōu)化方法[J].航空精密制造技術(shù)，2001. 

[3] 武凱，何寧.薄壁腹板加工變形規(guī)律及其變形控制方案的研究[J].中國機(jī)械工程，2004. 

[4] 黃志剛.航空整體結(jié)構(gòu)件銑削加工變形的有限元模擬理論及方法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2003.

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