鈦合金材料切削加工性能分析探討

1、鈦合金材料切削加工性能分析探討為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和推力，先進(jìn)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)采用了大量新材料，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，加工精度要求越來越高，對(duì)制造工藝提出了更高的要求。在新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高中，制造技術(shù)和材料的貢獻(xiàn)率為50%70%;在發(fā)動(dòng)機(jī)減重方面，制造技術(shù)和材料的貢獻(xiàn)率占70%80%，這也充分表明先進(jìn)的材料和工藝是航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)減重、增效、改善性能的關(guān)鍵。鈦合金材料因比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、耐高溫和焊接性好等優(yōu)異性能，在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。基于上述優(yōu)點(diǎn)，鈦合金材料成為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一些零部件的首選材料。鈦合金材料的切削特點(diǎn)鈦合金的一些物理力學(xué)性能給切削加工帶來了較大難度。鈦合金切削時(shí)

2、變形系數(shù)小，使得切屑在前刀面上滑動(dòng)摩擦路程增大，加速刀具磨損2。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量不易傳出，集中在切削刃附近的小范圍內(nèi)。鈦合金彈性模量小，加工時(shí)在徑向力的作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動(dòng)，加大刀具磨損并影響零件的精度。由于鈦合金對(duì)刀具材料的化學(xué)親和性強(qiáng)，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)常用的難加工材料包括高溫合金、鈦合金等。航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料加工中普遍面臨的難題是切削效率偏低，這制約了新產(chǎn)品研制的快速反應(yīng)和現(xiàn)有產(chǎn)品的生產(chǎn)批量擴(kuò)大。據(jù)了解，國(guó)外銃削加工一臺(tái)同直徑尺寸鈦合金整體葉盤，從實(shí)體環(huán)形毛坯到精加工后的成品所需加工時(shí)間僅為國(guó)內(nèi)加

3、工時(shí)間的1/3左右。差距如此之大，從一個(gè)側(cè)面反應(yīng)出我國(guó)難加工材料的加工技術(shù)亟待提高。合理選用刀具材料刀具材料是影響切削加工的重要因素之一，所以合理選擇刀具材料是解決難加工材料切削的一條有效途徑。鈦合金材料切削用刀具有硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具、立方氮化硼（CBN）刀具、金剛石刀具和高性能高速鋼刀具等。不同材料的刀具有特定的適應(yīng)加工范圍，其壽命也存在差異。被加工材料的特性往往是選擇刀具材料的基本依據(jù)，同時(shí)刀具材料和工件材料的切削性能要合理匹配。刀具材料的性能對(duì)加工表面質(zhì)量、加工效率和刀具壽命有重要影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類和整體葉盤類零件的大量加工經(jīng)驗(yàn)表明，加工工況也是選擇刀具時(shí)需要參考的條件之一。當(dāng)被

4、加工零件結(jié)構(gòu)特殊、剛性較弱、工藝中又無法增強(qiáng)其剛性時(shí)，切削中會(huì)有振顫發(fā)生。此時(shí)，選擇刀具需要考慮刀具材料具有一定的韌性，避免刀具崩刃現(xiàn)象產(chǎn)生，造成刀具過快報(bào)廢。刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化2。切削難加刀具的切削性能不僅取決于刀具材料，還和刀具的結(jié)構(gòu)和幾何形狀有關(guān)工材料時(shí)，適宜刀具的幾何形狀有助于充分發(fā)揮刀具的切削性能，提高切削效率。刀具的主要幾何參數(shù)有前角、后角、主偏角、副偏角、刃傾角和刀尖圓角半徑等。刀具的前角愈大，刀具愈鋒利，切削力愈小，適用于精加工。鈦合金已加工表面材料回彈大，采用大后角可減少工件對(duì)后刀面造成的摩擦和粘結(jié)等現(xiàn)象，并減少后刀面的磨損。粗加工時(shí)，為增加刀具強(qiáng)度，宜選用小后角。切削鈦合金時(shí)切

5、削溫度高、彈性變形傾向大，在工藝系統(tǒng)剛性允許的條件下，應(yīng)盡量減小主偏角，以增加切削部分的散熱面積和減小切削刃單位長(zhǎng)度上負(fù)荷。減小副偏角可以加強(qiáng)刀尖，有利于散熱和降低加工表面粗糙度值。在毛坯有硬皮和表層組織不均勻的狀態(tài)下，粗車時(shí)切削刃容易崩損，為了增加切削刃的強(qiáng)度和鋒利程度，應(yīng)加大切削的滑動(dòng)速度，選擇適宜的刃傾角。國(guó)內(nèi)有學(xué)者通過對(duì)高速銃削加工開展數(shù)值模擬研究3，把高速銃削過程簡(jiǎn)化，建立了斜角切削幾何模型和有限元模型。用這些模型預(yù)測(cè)高速切削過程中不同刀具幾何參數(shù)組合下的切削力，給高速數(shù)控銃削過程中的刀具選擇提供依據(jù)。近年來在深型腔復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工中，刀柄的整體幾何形狀也引起了工程技術(shù)人員的注意。例

6、如在精銃削整體葉盤的輪轂和葉片型面時(shí)（圖1），需要采用整體硬質(zhì)合金直柄球刀。當(dāng)兩葉片之間間距過于狹窄或葉片根部和輪轂轉(zhuǎn)接R較小時(shí)，刀具直徑減小。為增強(qiáng)刀具的剛性和提高加工效率，往往采用錐柄球刀（圖2）。特別是在使用大長(zhǎng)徑比刀具的工況下，和直柄球刀相比，錐柄球刀使刀具系統(tǒng)剛性增強(qiáng)，可以使刀具每齒進(jìn)給量增大，加工時(shí)不易折斷，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于直柄球刀。提高刀具耐用度和加工效率的工藝對(duì)策鈦合金切削時(shí)，切削刃附近區(qū)域切削溫度高，主要是高溫?zé)嵝?yīng)作用下加劇了刀具磨損。對(duì)于硬質(zhì)合金刀具而言，磨損主要是粘結(jié)溫度所引起的粘附磨損。在刀具直徑允許情況下，可以盡量采用帶有內(nèi)部冷卻功能的刀具，這種刀具噴出的冷卻液角度恰好

7、集中在刀尖區(qū)域，可有效地降低切削區(qū)域溫度，延長(zhǎng)刀具壽命，提高刀具的耐用度。通常內(nèi)冷刀具直徑較大，對(duì)于小曲率半徑的曲面或區(qū)域，可以預(yù)先采用大直徑帶內(nèi)冷的刀具進(jìn)行粗加工，以提高加工效率。銃削加工是不連續(xù)的切削過程，加工中刀具承受斷續(xù)的沖擊負(fù)荷，在銃削加工中發(fā)現(xiàn)，工藝裝備系統(tǒng)的剛性較差時(shí)，在切削力、裝夾力、切削振顫等因素作用下，刀具磨損加劇，耐用度明顯下降。同時(shí)工件表面出現(xiàn)振紋，影響表面質(zhì)量。因此提高工藝裝備系統(tǒng)的剛性，改善裝夾方法或工件夾緊部位，提高工件銃削時(shí)的穩(wěn)定性，可以降低振顫，減少磨損，提高刀具耐用度。在機(jī)械加工中，通常要求裝夾定位基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、加工后的檢測(cè)基準(zhǔn)為同一個(gè)基準(zhǔn)。對(duì)于大型薄壁弱

8、剛性工件整體葉盤而言，考慮到增加零件銃削時(shí)的剛性，在銃削加工中將工藝基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到靠近葉片的輪轂處（圖3）。通過不同裝夾部位的對(duì)比加工和驗(yàn)證，獲得了較好的加工精度和加工效率。采用澆注填充材料的工藝也可以有效地抑制振顫發(fā)生。在大型鈦合金整體葉盤的葉片型面銃削加工中采用了該項(xiàng)工藝，消除了葉尖表面顫紋，使葉身型面刀具軌跡均勻，有利于后續(xù)無損檢查工序的進(jìn)行。由于工件系統(tǒng)剛性增強(qiáng)，提高了走刀進(jìn)給率，使銃削效率得到提高。刀具磨損自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來發(fā)展的比較快，有資料報(bào)道國(guó)外進(jìn)行了有效使用，在安全使用的范圍內(nèi)，最大限度地延長(zhǎng)了刀具的使用時(shí)間。磨損是刀具主要失效因素之一，在加工中刀具壽命一般來自切削試驗(yàn)，根據(jù)刀具

9、磨損程度和加工時(shí)間確定，但通常留有一定裕度。常規(guī)加工中，機(jī)床操作者可以根據(jù)機(jī)床振動(dòng)變化、切削噪聲的突然提高、主軸功率顯示表等判斷刀具磨損的情況。如果加工中使用刀具破損自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù),能夠動(dòng)態(tài)隨時(shí)準(zhǔn)確進(jìn)行刀具磨損狀態(tài)分析、監(jiān)控，則刀具壽命可以安全地適度延長(zhǎng)。鈦合金高效切削參數(shù)獲取企業(yè)在目前的產(chǎn)品制造中，已經(jīng)滿足了刀具軌跡的優(yōu)化驗(yàn)證需求，但尚未完全解決優(yōu)化切削參數(shù)的獲取方法問題。近年來，各企業(yè)正在積極研究鈦合金的高效切削技術(shù)。據(jù)悉，西方國(guó)家大型鈦合金整體葉盤切削速度可以達(dá)到300mm/min或更高。航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)所擁有的進(jìn)口機(jī)床先進(jìn)性和國(guó)外企業(yè)相當(dāng)，切削所采用的刀具相當(dāng)一部分也是進(jìn)口刀具，可以說

10、從硬件上已經(jīng)具備了相同的實(shí)力，但是加工效率和國(guó)外相比差距不小，特別是鈦合金等難加工材料的加工效率亟待提高，經(jīng)分析存在以下一些原因。（1）有針對(duì)性的基礎(chǔ)切削試驗(yàn)不足，難以得到具有較高切削速度的參數(shù)做工藝決策支撐。（2）企業(yè)獲取切削參數(shù)渠道有限，通常來自刀具供應(yīng)商手冊(cè)推薦數(shù)據(jù)。這種參數(shù)盡管是來自于國(guó)外供應(yīng)商較為系統(tǒng)的切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)條件和環(huán)境和企業(yè)加工零件的工況差異不同，很難完全照搬手冊(cè)數(shù)據(jù)。（3）高效切削參數(shù)試驗(yàn)和獲取的周期較長(zhǎng)。由于企業(yè)機(jī)床以產(chǎn)品批量生產(chǎn)為主體，很難抽出專用設(shè)備開展專項(xiàng)試驗(yàn)，切削數(shù)據(jù)的優(yōu)化試驗(yàn)往往和真實(shí)零件的加工同步進(jìn)行，存在較大風(fēng)險(xiǎn)。特別是在精加工工序，切削后零件表面已經(jīng)

11、無余量，要顧及到萬一切削參數(shù)使用不當(dāng)，產(chǎn)生斷刀、崩刃或其它極容易引起表面質(zhì)量問題的情況。因此，高效切削參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的選取需要分階段逐步提升，謹(jǐn)慎而行，不可能在較短的周期內(nèi)快速提高。往往需要多個(gè)批次、多個(gè)零件的加工驗(yàn)證，乃至持續(xù)數(shù)年，從驗(yàn)證機(jī)到原型機(jī)，甚至產(chǎn)品進(jìn)入定型階段還在進(jìn)行提高加工效率的精益改善。（4）科研院所的研究成果工程化推廣和使用不充分。事實(shí)上科研院所對(duì)難加工材料的高效加工極為重視，并開展了大量試驗(yàn)，取得一些成就。但所作的切削試驗(yàn)不是完全基于發(fā)動(dòng)機(jī)零件的真實(shí)加工環(huán)境，包括試驗(yàn)零件所選取的工藝特性數(shù)據(jù)例如：零件真實(shí)尺寸、結(jié)構(gòu)形狀、零件剛性、裝夾方式、刀具懸伸等等。因而是一種共性的試驗(yàn)而

12、不是典型特征試驗(yàn)，因此切削參數(shù)在實(shí)際使用中有局限性。作為企業(yè)一方亟需要得到科研院所的技術(shù)支撐，共同合作，以加快企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和提升制造能力的步伐。國(guó)外的高效（高速）切削參數(shù)多數(shù)來自設(shè)立在企業(yè)的切削實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，通常大型企業(yè)的切削試驗(yàn)室科研能力和高校不分伯仲。這種科研體制具有針對(duì)性強(qiáng)、見效快、易于全面推廣的優(yōu)點(diǎn)?！敖昏€匙”工程是近年來頗受企業(yè)青睞的一種有效獲取高效加工或新產(chǎn)品工藝方式之一?！敖昏€匙”工程是在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)工藝加工零件，由企業(yè)額外支付一定費(fèi)用。國(guó)外大型高端機(jī)床供應(yīng)商通常擁有專門的切削實(shí)驗(yàn)室，具備較高的研發(fā)能力。為拓寬銷售渠道，擴(kuò)大市場(chǎng)份額，往往以“交鑰匙”的方式按客

13、戶需求承擔(dān)研發(fā)任務(wù)。借助這種方式，企業(yè)在引進(jìn)、消化、吸收、提咼的基礎(chǔ)上，以最快的速度獲取所需要的高效切削技術(shù)，不失為一條快捷的途徑。切削過程物理仿真技術(shù)使用隨著數(shù)字化制造技術(shù)的飛速發(fā)展，金屬切削過程的有限元仿真作為制造工藝的一種新型技術(shù)，正逐漸融入機(jī)械加工領(lǐng)域，是推動(dòng)未來高效切削工藝快速發(fā)展的途徑之一。通過切削仿真不僅可以預(yù)報(bào)切削力，分析切削過程中應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力和溫度等狀態(tài)變量的分布，同時(shí)還可以預(yù)報(bào)刀具磨損、工件殘余應(yīng)力，并進(jìn)一步優(yōu)化切削參數(shù)。有限元法的引入豐富了鈦合金切削機(jī)理的研究手段。研究學(xué)者針對(duì)鈦合金加工中的刀具磨損仿真預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究，建立了綜合考慮刀具多種磨損因素下的仿真模型,可在一定程度上實(shí)現(xiàn)刀具磨損的仿真預(yù)測(cè)。隨著數(shù)值計(jì)算理論和軟件工具的不斷發(fā)展，切削過程仿真和預(yù)測(cè)必將在切削加工理論和技術(shù)的研究中起到重要作用4。工程技術(shù)人員可以依據(jù)仿真結(jié)論提前預(yù)