鈦合金結(jié)構(gòu)件零件切削加工的控制方法

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。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(guó)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(guó)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(shì)看，歐美各國(guó)對(duì)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(duì)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，較小的余量根本就無(wú)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(guò)燒現(xiàn)象。

一.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(guò)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。
2.1 機(jī)床的選用
機(jī)床-夾具-刀具的系y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(guò)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(lái)加工鑄鐵、鋼和高溫合金是有效的。但是沒(méi)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?，這些包括：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(shì)；4）良好的韌性和抗疲勞能力以適應(yīng)切屑分割過(guò)程。在幾乎所有的鈦合金切削加工過(guò)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(lái)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(méi)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(guò)程存在的主要問(wèn)題是薄壁的銑削變形問(wèn)題。由于鈦合金的彈性模量低，而切削力相對(duì)較大，所以薄壁在銑削過(guò)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(wèn)題應(yīng)該是盡可能的減小在銑削過(guò)程中薄壁所受的來(lái)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(lái)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(duì)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。

二.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)?span>鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)?。s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(guò)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(guò)高，使得刀尖會(huì)急劇磨損，以至于發(fā)生過(guò)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(guò)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?。ù蠹s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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)程中的塑性剪切過(guò)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。