鈦合金加工的現(xiàn)狀與展望

1、鈦合金加工的現(xiàn)狀與展望鈦合金加工的現(xiàn)狀與展望同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所(上海200092)張曙譚惠民鈦合金及其在工業(yè)中的應(yīng)用鈦具有強度高,重量輕和優(yōu)異的耐腐蝕性,解決了很多的工程難題.如鈦比鋼的強度高30%以上,但重量輕近50%;鈦比鋁重一倍,但強度高60%.鈦合金是鋁,錳,鐵,鉬和其他金屬的合金,以增加鈦的強度和耐高溫性能,分為一鈦合金,13.鈦合金,o【13一鈦合金和較新的鈦鋁合金,其中g(shù)cp一鈦合金(ti6a14v)應(yīng)用最為廣泛.鈦合金的高耐蝕性也是一種寶貴的特點,當(dāng)暴露于大氣中時,鈦能形成抗拒許多腐蝕性物料的氧化膜.鈦合金憑借其優(yōu)越的屬性,特別是強度重量比很高,在新興的航空航天工業(yè)中獲

2、得越來越廣泛的應(yīng)用.例如,機身的結(jié)構(gòu)部件,起落架,液壓系統(tǒng),航空發(fā)動機零部件等.近年來在新型飛機上,鈦合金材料所占的比例已經(jīng)由5%提高到14%以上.火箭,導(dǎo)彈和飛船的鈦合金零部件所占比例更高.航空航天工業(yè)是鈦及其合金產(chǎn)品的最大市場.隨著鈦合金的成本降低,使其工業(yè)應(yīng)用逐漸擴展到造船工業(yè),例如潛艇,船舶螺旋槳,索具和其他需要高耐腐蝕性的零部件.此外,由于鈦與人體組織的親和性,正在越來越多地用于醫(yī)學(xué)工程,成為人體植入物和骨骼修復(fù)的主要材料.在汽車工業(yè),近年來開始使用鈦合金制造發(fā)動機氣門,連桿,車輪輪轂螺釘,排氣系統(tǒng)和懸掛彈簧.鈦合金組件可在增加發(fā)動機功率和轉(zhuǎn)矩的同時2;20ww7,字me籮tol7w

3、orklnllg$o.com爭磊.冷加工,v,一提高燃油經(jīng)濟(jì)性,并解決噪聲和振動的問題.鈦合金零部件降低材料重量約50%,并大幅度提高其使用壽命.鈦懸掛彈簧不僅降低重量70%,而且允許增加有效載荷和更大的乘用空間.雖然鈦合金一直是被認(rèn)為是昂貴的材料,但隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展及工業(yè)市場的消費量增加,使其成本陡然降低,應(yīng)用前景極其廣闊.按照以往的經(jīng)驗,鈦合金被視為難加工材料,令人望而生畏.但是,隨著鈦合金應(yīng)用的日漸普及,人們對鈦合金加工機理的認(rèn)識逐步深入,針對鈦合金加工的新刀具和新機床的出現(xiàn),以及加工經(jīng)驗的積累,現(xiàn)在已經(jīng)具備了堅實的知識基礎(chǔ)和裝備條件.可以認(rèn)為,鈦合金的加工已經(jīng)不比加工高合金不銹鋼難.

4、本文將從鈦合金加工工藝,刀具和機床幾方面,介紹鈦合金加工的最新進(jìn)展.鈦合金的加工工藝和刀具為什么我們認(rèn)為鈦合金是一種難加工材料?因為對其加工機理和現(xiàn)象缺乏深刻的認(rèn)識.1.鈦加工的物理現(xiàn)象鈦合金加工時的切削力只是略高于同等硬度的鋼,但是加工鈦合金的物理現(xiàn)象比加工鋼要復(fù)雜得多,從而使鈦合金加工面臨巨大的困難.大多數(shù)的鈦合金的熱導(dǎo)率很低,只有鋼的1/7,鋁的1/16.因此,在切削鈦合金過程中產(chǎn)生的熱量不會迅速傳遞給工件或被切屑帶走,而集聚在切削區(qū)域,所產(chǎn)生的溫度可高達(dá)1000以上,使刀具的刃口迅速磨損,崩裂和生成積屑瘤,快速出現(xiàn)磨損的刀刃,又使切削區(qū)域產(chǎn)生更多的熱量,進(jìn)一步縮短刀具的壽命.切削過程中

5、產(chǎn)生的高溫同時破壞了鈦合金零件的表面完整性,導(dǎo)致零件幾何精度下降和出現(xiàn)嚴(yán)重減少其疲勞強度的加工硬化現(xiàn)象.鈦合金的彈性對零件性能來說可能是有益的,但是在切削過程中,工件的彈性變形是產(chǎn)生振動的重要原因.切削壓力使彈性的工件離開刀具和反彈,從而使刀具與工件之間摩擦現(xiàn)象大于切削作用.摩擦過程也會產(chǎn)生熱,加重了鈦合金導(dǎo)熱性不良問題.加工薄壁或環(huán)形等易變形零件時,這個問題就更加嚴(yán)重,將鈦合金薄壁零件加工到預(yù)期的尺寸精度不是一件容易的事.因為隨著工件材料被刀具推開時,薄壁的局部變形已經(jīng)超出彈性范圍而產(chǎn)生塑性變形,切削點的材料強度和硬度明顯增加.此時,按照原先確定的切削速度加工就變得過高,進(jìn)一步導(dǎo)致刀具急劇磨

6、損.熱是鈦合金難加工的罪魁禍?zhǔn)?2.加工鈦合金的工藝訣竅在理解鈦合金加工機理的基礎(chǔ)上,加上以往的經(jīng)驗,加工鈦合金的主要工藝訣竅如下:(1)采用正角型幾何形狀的刀片,以減少切削力,切削熱和工件的變形.(2)保持恒定的進(jìn)給以避免工件的硬化,在切削過程中刀具要始終處于進(jìn)給狀態(tài),銑削時徑向吃刀量矗應(yīng)為半徑的30%,如圖1所示.保持切削狀態(tài)=o.3圖1切削過程要始終處于進(jìn)給狀態(tài)(3)采用高壓大流量切削液,以保證加工過程的熱穩(wěn)定性,防止因溫度過高導(dǎo)致工件表面變性和刀具損壞.(4)保持刀片刃口鋒利,鈍的刀具是熱集結(jié)和磨損的原因,容易導(dǎo)致刀具失效.(5)盡可能在鈦合金最軟的狀態(tài)加工,因為淬硬后材料變得更難加工

7、,熱處理提高了材料的強度并增加刀片的磨損.(6)使用大的刀尖圓弧半徑或倒角切入,盡可能把更多的刀刃進(jìn)入切削.這可以減少每一點的切削力和熱量,防止局部破損.在銑削鈦合金時,各切削參數(shù)中切削速度對刀具壽命y.的影響最大,徑向吃刀量(銑削深度)次之,如圖2所示.ila.l一fii-z_一刀具壽命-該切削參數(shù)增加時對刀具壽命的影響圖2切削參數(shù)對刀具壽命的影響3.從刀片入手解決鈦加工難題鈦合金加工時出現(xiàn)的刀片溝槽磨損是后面和前面在沿切削深度方向上的局部磨損,它往往是由于前期加工留下的硬化層所造成的.刀具與工件材料在加工溫度超過800的化學(xué)反應(yīng)和擴散,也是形成溝槽磨損的原因之一.因為在加工過程中,工件的鈦

8、分子在刀片的前面積聚,在高壓高溫下焊接到刀刃上,形成積屑瘤.當(dāng)積屑瘤從刀刃上剝離時,將刀片的硬質(zhì)合金涂層帶走.因此,鈦合金加工需要特殊的刀片材料和幾何形狀.例如,美國ati集團(tuán)旗下的stellram公司就是一家難加工材料解決方案提供商,其1b4e車削刀片具有微粒硬質(zhì)合金基體和超硬納米tia1npvd涂層,牌號為sp0819,能保證在高溫鈦合金加工時減少積屑瘤的生成.其中ib用于ti6a14n鈦合金的精加工,4e用于粗加工和半精加工,4e刀片的特點和性能,如圖3所示.參磊:3e|_ll競爭對手的刀片,切削8min后出現(xiàn)溝槽磨損j亙蓍顯基stellram公司的4e刀片及其磨損情況l4e刀片的顯微結(jié)

9、構(gòu)圖3stellram公司的4e刀片4.適合鈦加工的刀具結(jié)構(gòu)鈦合金加工的焦點是熱,大量高壓切削液要及時準(zhǔn)確地噴射到切削刃上,才能夠快速地將熱量移除.山特維克可樂滿公司推出專門用于鈦合金加工的銑刀coromill690,其結(jié)構(gòu)如圖4所示.圖4coromill690銑刀的結(jié)構(gòu)鈦合金加工用的機床為了適應(yīng)鈦合金飛機零件加工的需要,日本牧野公司在美國總部設(shè)立了全球鈦合金研發(fā)中心,開發(fā)了t系列5軸臥式加工中心,其核心技術(shù)稱為advantige,意即鈦的優(yōu)勢,可使鈦合金的加工效率提高4倍,刀具壽命增nmo%.t系列臥式加工中心有兩種型號:t41t2,t4型臥式加工中心的,y;f口z軸行程分別為4200ram

10、,2000mm和1000mm,最大工件重量為5000kg,適420wwt.譬me籮to/worklnglgso.com參磊.冷加工,用于加工飛機的鈦合金大型結(jié)構(gòu)件,其外觀如圖5所示.圖5t4型臥式加工中心的外觀t2型臥式加工中心的尺寸規(guī)格較小,但同樣采用advantige鈦合金加工技術(shù)集成系統(tǒng),該系統(tǒng)包括提高機床性能超高剛度的機床結(jié)構(gòu)與主動減振系統(tǒng),提高切削速度與生產(chǎn)效率的自適應(yīng)主軸,高壓大流量冷卻與切削液微化系統(tǒng)以及先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)及其編程策略等,從而克服了傳統(tǒng)鈦合金加工時金屬切除率低,刀具壽命短的問題.1.高剛度的機床結(jié)構(gòu)和減振系統(tǒng)加工鈦合金零件時,由于切削力較大以及銑削過程的不連續(xù)性,使機

11、床的剛度和阻尼顯得非常重要,它直接影響到銑削過程穩(wěn)定區(qū)的多w形分布,如圖6所示.l刪r馳圖6不同剛度和阻尼機床的加工穩(wěn)定區(qū)從圖6中可見,剛度低和阻尼小的機床切削穩(wěn)定區(qū)有限.操作者往往為了保證生產(chǎn)效率,只能降低背吃刀量(吃刀深度)和提高主軸轉(zhuǎn)速,結(jié)果導(dǎo)致刀具壽命大幅度降低.剛度高和阻尼大的機床能夠提供更大范圍的切削穩(wěn)定區(qū).這就為advantige技術(shù)的其他組成部分提供了堅實的運作平臺,例如進(jìn)一步降低銑削過程的振動和提高金屬切除率.高剛度是t系列機床設(shè)計遵循的第一原則,t4型臥式加工中心采用大質(zhì)量的床身,1.7m寬的立柱,箱型導(dǎo)軌系統(tǒng)和大直徑的滾珠絲杠,從而保證機床具有很高的剛度和較大的阻尼.ad

12、vantige主動式減振系統(tǒng)借助低頻振動傳感器對摩擦力進(jìn)行實時調(diào)整,避免了機床結(jié)構(gòu)諧振的顫振和刀具損壞,從而獲得更高的金屬切除率和減少刀具磨損.2.主軸的自適應(yīng)技術(shù)t系列機床采用的hska125主軸是牧野公司到目前為止的最強大的電主軸,緊湊的設(shè)計結(jié)合最新的大轉(zhuǎn)矩異步電動機和雙變頻傳動技術(shù),保證了鈦合金加工所需的大功率,大轉(zhuǎn)矩特性(3000kn?m,100kw連續(xù),5000kn?m,150kw峰值).主軸最高轉(zhuǎn)速為40000r/min.擺叉式銑頭的軸旋轉(zhuǎn)為110.,c軸可360.連續(xù)旋轉(zhuǎn),其加工時的狀態(tài)如圖7所示.圖7t系;ijhska125主軸部件該主軸采用自適應(yīng)控制技術(shù),借助位移傳感器測量由

13、過大切削力所造成的變形.此信息實時反饋到數(shù)控系統(tǒng)professional5,自動調(diào)整切削參數(shù)以適應(yīng)當(dāng)前的加工條件,從而保護(hù)了主軸和刀具;實現(xiàn)了機床主軸能夠自主檢測,思考,決策和反應(yīng)以及優(yōu)化切削狀態(tài)的終極目標(biāo).3.高壓大流量的冷卻系統(tǒng)盡可能保持工件處于冷態(tài)和盡快將高溫切屑移除是鈦合金加工的關(guān)鍵.t系列機床在切削液提供方面采用高壓大流量冷卻系統(tǒng)向切削區(qū)域直接提供大量的高壓切削液,使切屑盡快地從多刃刀具的有限空間排出.切削液的供給壓力最大可達(dá)100kg/cm,流量達(dá)250l/min,壓力和流量可以借助數(shù)控系統(tǒng)的m指令調(diào)節(jié).切削液的供給有外部花灑,主軸噴嘴和通過主軸內(nèi)孔3種方式,以提高其冷卻和潤滑效果

14、,以及加速切屑從切削區(qū)域移除.牧野公司提高鈦合金加工效率的努力并非到此為止.例如,全球鈦加工研發(fā)中心的工程師仍然不斷地開發(fā)出多種應(yīng)用程序,為各行業(yè)的鈦加工提供解決方案.訪問公司網(wǎng)站,可以了解牧野公司的最新突破,參與牧野的全球鈦日(globaltitaniumday)的虛擬活動,觀看技術(shù)講座和牧野設(shè)計師和應(yīng)用工程師有關(guān)鈦合金加工的創(chuàng)新演示.鈦合金加工的切削液加工鈦合金的切削液需要特別考慮.由于切削液中含有氯離子,在某些情況下會使鈦合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂.鈉離子也會造成鈦合金的應(yīng)力開裂.許多工廠都已經(jīng)不使用含氯的切削液,但很少人知道鈉也可能是有問題的金屬加工液.水基切削液是最好的選擇,它能提供加工鈦時的散熱性能,而且容易清潔.合成切削液可提供低發(fā)泡,良好的散熱性,也容易過濾和清潔.切削液的微化技術(shù)值得注意,它可以減小切削液的分子尺寸,使切削液容易直接進(jìn)入刀刃和工件的界面,達(dá)到冷卻和潤滑的效果.例如,cinmcool公司的cimtech310是低ph值的合成金屬加工液,經(jīng)過測試,對應(yīng)力開裂的影響很小.實踐證明,可安全使用于鈦合金加工.使用cimtech310時最重要的考慮是確保有大的流量,以及通過刀具內(nèi)孔將切削液送達(dá)切削區(qū)域.cimtech310無泡,可以使用高壓,不怕生成泡沫,易于循環(huán)再用.未來展望(1)新的鈦合金不斷出現(xiàn)例如,ati公司的425合金是d一鈦合金,其