航空航天用鈦合金的切削加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、航空航天用鈦合金的切削加工現(xiàn)狀及開展趨勢鈦合金在航空航天工業(yè)和其他工業(yè)部門有著廣泛的應用前景。 隨著科學技術的不斷進步和我 國國民經(jīng)濟的快速開展，作為 “崛起的第三代金屬 鈦工業(yè)必將大有作為。航空航天用鈦合金的特點及應用作為航空航天領域不斷興起的材料，鈦合金有以下優(yōu)勢 1-3 ：(1 )比強度高。鈦合金具有很高的強度，其抗拉強度為6861176MPa ，而密度僅為鋼的60% 左右，所以比強度很高。( 2 )高溫性能優(yōu)良。鈦合金在高溫下仍能保持良好的機械性能，其耐熱性遠高于鋁合金， 且工作溫度范圍較寬。(3)抗腐蝕性強。在 550 C以下的空氣中，鈦外表會迅速形成薄而致密的氧化鈦膜，其耐 蝕性優(yōu)

2、于大多數(shù)不銹鋼。在航空工業(yè)領域，鈦合金主要用于制造噴氣發(fā)動機的壓氣機盤、渦輪盤、葉片、機匣等，以 及諸如大型主起落架支撐梁、機身后段及轉向梁等結構件 4 。因鈦合金具有比強度高和耐 高溫特點， 用于制造飛機發(fā)動機和機體能夠有效地提高發(fā)動機推重比和機體機構效率， 有利 于緩解熱障現(xiàn)象 5。近年來軍用飛機上所用鈦合金材料的比例正在不斷增加6 ，鈦合金材料的應用水平已成為衡量飛機先進性的重要標志之一。 美國第四代戰(zhàn)斗機的 F-22 的機體主 要承力材料大量采用鈦 64( Ti-6Al-4V )，約占機身總質量的 36% ，鈦 62222 主要用于發(fā) 動機周圍蒙皮機構及發(fā)動機框架，約占機身總質量的 3

3、%7 。在民用飛機方面，鈦合金的應 用也較為廣泛。在波音 777 上大約采用了 11%的鈦結構，其平面鈦箔的用量將到達 12247 kg8 。在航天工業(yè)領域， 鈦合金主要用于制造耐高溫和低溫零件9。如上海鋼鐵研究所的 7715D 用于 DFH-3 衛(wèi)星的 FY-25 型遠地點發(fā)動機噴注器；俄羅斯的 BT37 合金廣泛應用 于宇航工業(yè)形狀復雜的低溫管路系統(tǒng)。航空航天用鈦合金的切削加工現(xiàn)狀航空航天用鈦合金零部件主要有兩類。一類是復雜曲面，如葉輪、 渦輪盤和葉片等，實際生產(chǎn)中采用多軸數(shù)控加工。圖 1 中采用多軸銑削加工的鈦合金渦輪即為復雜曲面。另一類是 薄壁框型件，如大型框、梁和壁板等多采用銑削加工

4、。圖 2 中采用立銑加工的鈦合金壁板 是典型的薄壁框型件。 上述兩種工件的加工都必須從整塊坯料中去除大量的材料，而鈦合金的切削加工性較差， 其工件的加工本錢占工件總本錢的比重很大。 切削加工困難是導致鈦合 金零件價格高昂的重要因素。1鈦合金的切削加工性鈦合金是典型的難加工材料，其加工特性表現(xiàn)如下10-11:1鈦合金的導熱性差，是不良導熱體金屬材料。切削加工時，切屑與前刀面的接觸面積 很小，特別容易引起薄壁件的熱變形。2鈦合金彈性模量低，彈性變形大。切削時接近后刀面處工件的回彈量大，導致已加工外表與后刀面的接觸面積特別大，造成加工件幾何形狀和精度差、外表粗糙度增大、刀具磨損增加。3鈦合金的親和性

5、大、切削溫度高。切削時，鈦屑及被切表層與刀具材料咬合，產(chǎn)生嚴重的粘刀現(xiàn)象，容易引起刀具強烈的粘結磨損。鈦合金的高溫化學活性強， 在600 C以上時，與氧、氮產(chǎn)生間隙固溶。吸收氣體后鈦合金外表的硬度明顯上升，對刀具有強烈的磨損作用。目前，我國的鈦合金切削加工效率還比擬低，生產(chǎn)中應用最多的硬質合金刀具推薦的切削速度在3050m/min，與國外相比還存在很大差距。2目前的鈦合金切削加工工藝現(xiàn)有的鈦合金切削加工方式主要是車削和銃削。鈦合金車削加工時易獲得較好的外表粗糙 度，加工硬化不嚴重，但切削溫度高，刀具磨損快。鈦合金的銃削加工比車削加工困難。因 為銃削是斷續(xù)切削， 并且切屑易與刀刃發(fā)生粘結，當粘屑

6、的刀齒再次切入工件時，粘屑被碰掉并帶走一小塊刀具材料，形成崩刃，極大地降低了刀具的耐用度。在加工鈦合金時，通常選擇較小的前角，以增大切屑與前刀面的長度；選擇較大的后角，以減小后刀面與加工外表之間的摩擦。為了降低切削溫度，通常選用較小的切削速度和較大的切深，并使用切削液。切削速度過小導致材料去除率低下，增加了鈦合金加工本錢；較大的 切深導致切削力增大，影響鈦合金工件尤其是薄壁件的質量；切削液的使用增加了加工本錢，造成環(huán)境污染，不符合綠色切削的要求。目前，我國的鈦合金加工缺乏有效的工藝數(shù)據(jù)庫支持。在具體工藝安排和切削用量選擇上， 往往憑經(jīng)驗和 “試切 來確定工藝參數(shù)。此外，我國刀具和切削液的國產(chǎn)化

7、程度還比擬低，制 約了鈦合金切削加工水平的提高。鈦合金切削加工的開展趨勢隨著航空工業(yè)的開展， 鈦合金將逐步取代鋁合金， 成為航空工業(yè)的主要材料。 未來的鈦合金 切削加工將主要面向 3 個方向： 1 大幅提高單位時間內(nèi)的材料去除量，實現(xiàn)高效加工；2研發(fā)新型刀具，延長刀具使用壽命；3減少切削液的使用，到達綠色切削。1 鈦合金高速切削高速切削能大幅提高鈦合金加工效率， 并保證零件加工質量。 鈦合金的高速槽銑和周銑實踐 證明，高速切削不僅能提高加工效率，還能有效提高被加工外表的質量 12-14 。 鈦合金高速切削具有以下優(yōu)勢：1 溫升少， 工件熱變形小。 高速切削雖然產(chǎn)熱量多， 但由于切屑從工件上切離

8、的速度快， 90% 以上的切削熱被切屑帶走，傳給工件的熱量很小，工件積累熱量極少，這對于減少鈦 合金熱變形有重要意義。2切削力低。切削速度高使得剪切變形區(qū)變窄，剪切角增大，變形系數(shù)減小和切屑流出 速度快，從而使切削變形減小，切削力比常規(guī)切削力低 30%90%, 特別適合于加工剛性差 的航空用鈦合金薄壁件。3材料切除率高，加工外表質量好。高速切削時其進給速度可隨切削速度的提高相應提 高 510 倍，這樣單位時間內(nèi)材料的切除量可提高 35 倍。另外隨著切削速度的提高，切 屑可以被很快切離工件， 故殘留在工件外表上的應力很小。 由于切削點溫度的升高工件外表 鱗刺的高度會顯著降低甚至完全消失。鈦合金高

9、速切削也面臨著很多技術難題。 高速導致加工外表溫度急劇升高， 由于鈦合金導熱 性差，如不采取有效的降溫措施，會使得鈦合金和空氣中元素發(fā)生化學反響，形成硬化層。 高溫燒蝕和切削力的增大造成刀具急劇磨損，使得加工不能持續(xù)。2 鈦合金切削加工的高性能刀具大量的研究結果 15-17 說明：刀具的快速磨損是制約鈦合金高速切削加工的最主要因素。 因而， 要想提高鈦合金加工和應用水平， 必須研發(fā)適用于鈦合金的高性能刀具。 刀具材料方 面，應具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學性能和高的可靠性。硬質合金刀具的價格相對低廉，是目前使用最多的鈦合金切削刀具，常用刀具有 YG6 、YG 8 等。但是在以往的研

10、究和生產(chǎn)實踐中，通常不采用 YT 類刀具，因為含鈦的刀具材料在 高溫下很容易與鈦合金親合， 使得粘結磨損嚴重。 但是對刀具磨損的研究說明， 鈦合金在低 速銑削時的刀具磨損機理為粘結撕裂磨損，在高速銑削時以擴散磨損為主 18 。而含鈦類刀 具可有效抑制擴散磨損。因此，低速段使用的 YG 類硬質合金刀具不適合鈦合金高速切削， 而 YT 類刀具將是新的研究方向。PCD 刀具的性能很適宜于加工鈦合金 19 ： 1良好的導熱性。金剛石的導熱系數(shù)為硬 質合金的 1.59 倍。由于導熱系數(shù)及熱擴散率高， 切削熱容易從刀具散出， 故切削區(qū)溫度低， 這對于克服鈦合金導熱性差的問題有重要意義。2較低的熱膨脹系數(shù)。

11、金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質合金小幾倍約為高速鋼的1/10 ，在高溫下，能夠更好地保證鈦合金工件的加工質量。 3極高的硬度和耐磨性。金剛石刀具在加工高硬度材料時耐用度為硬質合金刀具 10100 倍甚至高達幾百倍。使用金剛石刀具切削鈦合金，能夠有效延長刀具使用壽命。 M ori 等 20 采用新型 PCD 刀具在高速切削鈦合金時獲得了較好的切削效果。但是 Balkrish na Rao 等21 的研究結果說明，金剛石刀具的磨損形式表現(xiàn)為剝落和溝槽磨損，不能實現(xiàn) 高速切削。在刀具結構方面， Komanduri 與 Reed22 設計了一種可提高刀具壽命的新型刀夾，該刀 夾可獲得較大的刀具后角和負前角；

12、 Shuting Le 等 23 研究了可轉位刀具在高速車削 Ti6 Al4V 鈦合金過程中的應用狀況，在高速切削狀態(tài)下，可轉位刀具的壽命比固定位刀具的壽 命增長了 37 倍。3 鈦合金綠色切削傳統(tǒng)的鈦合金切削使用大量的冷卻液， 增加了制造本錢， 造成了環(huán)境污染， 還會損害工人的 身體健康 24 。綠色切削可有效解決由切削液引起的各類問題。目前國內(nèi)外對綠色加工的研 究主要有綠色切削技術和綠色冷卻技術。綠色切削技術包括：干式切削、準干式切削、低溫切削和綠色濕式切削 25-26 。干式切削可完全消除使用切削液導致的一系列負面影響 25 ，由于摩擦使工件和刀具的溫度 升高， 導致刀具磨損加快，工件產(chǎn)

13、生殘留應力，同時會使得刀具和工件發(fā)生熱變形，外表質 量降低，因而不適用于航空航天用鈦合金的加工。準干式切削又稱MQL Minimal Quantity Lubrication 極微量潤滑技術， 它是將極微量的切削油與具有一定壓力的壓縮空氣混合并 霧化后，噴射到加工區(qū)，對刀具和工件之間的加工部位進行有效的潤滑。 MQL 可以大大減 少“刀具-工件 和“刀具- 切屑之間的摩擦，起到抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高 工件加工質量的作用。使用的潤滑液很少，而效果卻十分顯著，既提高了工效，又不會對環(huán) 境造成污染， 是鈦合金切削加工的有效途徑。 低溫切削能夠提高工件的切削加工性、 刀具壽 命和工件外

14、表質量， 非常適用于鈦合金加工。 林肯大學的 Z.Y.Wang 27 的研究結果說明， 在超低溫加工狀態(tài)下， 刀具材料能夠保持良好的切削性能， 提高了刀具壽命， 保證了切削效 率和加工質量。液氮冷卻、 蒸汽冷卻、低溫氣體射流冷卻綠色冷卻技術是實現(xiàn)綠色加工的關鍵，主要包括： 以及噴霧射流冷卻等。液氮冷卻采用液氮使工件、 刀具或切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進行切削加工， 是目前主要的低 溫加工手段。低溫氣體射流冷卻是采用-10-100 C的冷風強烈沖刷加工區(qū)的一種冷卻方式。試驗證明，該方式可以顯著均勻地降低加工區(qū)、刀具及工件的溫度，有效地抑制刀具磨損， 提高刀具耐用度，改善已加工外表的加工質量和提高零件加工精度28-29 。由于液氮冷卻切屑收集困難， 純氣體冷卻時刀具沒有得到潤滑等問題， 制約了此種冷