鈦合金結構件零件切削加工的控制方法

鈦合金結構件的加工難點以及弱剛性結構加工變形影響因素，從機床的選用、刀具的選用、有效的冷卻等幾個方面提出了弱剛性結構件加工變形的控制方法。鈦合金材料具有輕質，高強度、耐高溫等優異性能，如：用TC18鈦合金代替高強度結構鋼用于起落架，可實現飛機結構減重15%左右，因而在國外先進飛機的主承力件大量使用了新型高強度鈦合金，如：美國的B-1轟炸機的機體結構材料中，鈦合金約占21%；俄羅斯的伊爾-76飛機用鈦量達到了機體結構重量的12.5%，從發展趨勢看，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計的發展方向。但是航空航產品大多采用薄壁零件，其結構相對復雜，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，易產生加工彎曲變形，壁厚尺寸上下不一致、導致超差。目前企業中常用的方法是在精加工反復銑削，由于鈦合金導熱系數小，彈性模量低（約為鋼的1/2），化學活性高，較小的余量根本就無法銑削掉，往往產生“少切”現象，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生過燒現象。

一.鈦合金結構件零件的切削加工解決方案
影響鈦合金弱剛性結構加工的主要因素有：機床剛性，刀具的選用、工藝參數、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構件超差，加工變形難以控制。
2.1 機床的選用
機床-夾具-刀具的系y剛性要好，機床各部件間的間隙要調整好，主軸徑向跳動要小，盡量采用這樣機床。
2.2 刀具的選用
切削生產率的提高主要是發展和應用新型的刀具材料的結果。過去幾十年里，切削刀具有了很大的發展，包括硬質合金涂層，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，這是因為切削鈦合金的刀具材料要求具有非常重要的性能，這些包括：1）良好的熱硬性以抵抗很高的應力；2）良好的導熱性以降低熱梯度和熱沖擊；3）良好的化學惰性以降低與鈦發生化學反應的趨勢；4）良好的韌性和抗疲勞能力以適應切屑分割過程。在幾乎所有的鈦合金切削加工過程中，碳化鎢類（WC/co）硬質合金刀具被認為是性能最好的。一些試驗表明所有的硬質合金涂層刀具其磨損率大于那些未涂層的刀具。雖然現在的陶瓷刀具質量已經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），但是由于其導熱性能差、斷裂韌性低并且與鈦發生反應，所以他們并沒有取代硬質合金和高速鋼。超硬切削刀具材料（立方氮化硼和多晶金剛石）在切削鈦合金時的磨損率低，因而顯示出良好的性能。
鈦合金弱剛性結構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生讓刀變形，其結果是加工后薄壁的實際厚度大于理論厚度。解決這一問題應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
鈦合金具有強度高、抗氧化性、耐高溫等提點，在滿足高性能使用要求的同時，也給切削加工帶來了很多的難題。在切削鈦合金時，為了降低切削溫度，應當向切削區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熱系數大、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，水基可溶性油質溶液和非水可溶性油質溶液。

二.鈦合金結構件切削加工的難點
1.1 切削溫度高
因為鈦合金材料的導熱系數小（約為鋼的1/3～1/6），在加工鈦合金時易產生高的切削溫度。在相同條件下，加工鈦合金產生的切削熱比相同鋼要高1倍多，加工產生的熱量很難通過工件釋放。鈦合金比熱系數小，加工時局部溫度上升快，因此易造成刀具瞬時溫度過高，使得刀尖會急劇磨損，以至于發生過燒現象。
1.2 切削抗力大
切削鈦合金時的切削力與切削鋼時的切削力基本相當，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，主切削刃附近的應力非常高。這可能是由于在切削鈦合金時前刀面上的刀屑接觸區域通常很小（大約是在相同條件下切削鋼的1/3），較大的切削應力導致工件在加工過程中出現讓刀的現象，加工出的工件尺寸不協調。
1.3 弱剛性結構的震顫
震顫是加工鈦合金弱剛性結構件時需要克服的一個重要問題，尤其是在精加工的時候，鈦合金很低的彈性模量是切削過程中引起振動的首要原因。當受到切削力時，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生摩擦產生振動，同時也產生了很高的切削溫度。切削鈦合金時很高的動態切削力是造成震顫的部分原因，其數值可以達到靜態力的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量很難達到精度要求。