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航空航天用鈦合金的切削加工現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時(shí)間：2015-11-12
在航空工業(yè)領(lǐng)域，鈦合金主要用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、渦輪盤、葉片、機(jī)匣等，以及諸如大型主起落架支撐梁、機(jī)身后段及轉(zhuǎn)向梁等結(jié)構(gòu)件。因鈦合金具有比強(qiáng)度高和耐高溫特點(diǎn)，用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體能夠有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和機(jī)體機(jī)構(gòu)效率，有利于緩解熱障現(xiàn)象。
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(yīng)用前景。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)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(diǎn)及應(yīng)用
作為航空航天領(lǐng)域不斷興起的材料，鈦合金有以下優(yōu)勢(shì)：
(1)比強(qiáng)度高。鈦合金具有很高的強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度為686~1176MPa，而密度僅為鋼的60%左右，所以比強(qiáng)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(jī)械性能，其耐熱性遠(yuǎn)高于鋁合金，且工作溫度范圍較寬。
(3)抗腐蝕性強(qiáng)。在550℃以下的空氣中，鈦表面會(huì)迅速形成薄而致密的氧化鈦膜，其耐蝕性優(yōu)于大多數(shù)不銹鋼。
在航空工業(yè)領(lǐng)域，鈦合金主要用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、渦輪盤、葉片、機(jī)匣等，以及諸如大型主起落架支撐梁、機(jī)身后段及轉(zhuǎn)向梁等結(jié)構(gòu)件。因鈦合金具有比強(qiáng)度高和耐高溫特點(diǎn)，用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體能夠有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比和機(jī)體機(jī)構(gòu)效率，有利于緩解熱障現(xiàn)象。近年來軍用飛機(jī)上所用鈦合金材料的比例正在不斷增加，鈦合金材料的應(yīng)用水平已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)的F-22 的機(jī)體主要承力材料大量采用鈦64(Ti-6Al-4V)，約占機(jī)身總質(zhì)量的36%，鈦62222 主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)周圍蒙皮機(jī)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)框架，約占機(jī)身總質(zhì)量的3%。在民用飛機(jī)方面，鈦合金的應(yīng)用也較為廣泛。在波音777 上大約采用了11%的鈦結(jié)構(gòu)，其平面鈦箔的用量將達(dá)到12247kg。在航天工業(yè)領(lǐng)域，鈦合金主要用于制造耐高溫和低溫零件。如上海鋼鐵研究所的7715D 用于DFH-3 衛(wèi)星的FY-25 型遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器;俄羅斯的BT37 合金廣泛應(yīng)用于宇航工業(yè)形狀復(fù)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(fù)雜曲面，如葉輪、渦輪盤和葉片等，實(shí)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(fù)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。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，其工件的加工成本占工件總成本的比重很大。切削加工困難是導(dǎo)致鈦合金零件價(jià)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：
(1)鈦合金的導(dǎo)熱性差，是不良導(dǎo)熱體金屬材料。切削加工時(shí)，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(shí)接近后刀面處工件的回彈量大，導(dǎo)致已加工表面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、表面粗糙度增大、刀具磨損增加。
(3)鈦合金的親和性大、切削溫度高。切削時(shí)，鈦屑及被切表層與刀具材料咬合，產(chǎn)生嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，容易引起刀具強(qiáng)烈的粘結(jié)磨損。鈦合金的高溫化學(xué)活性強(qiáng)，在600℃以上時(shí)，與氧、氮產(chǎn)生間隙固溶。吸收氣體后鈦合金表面的硬度明顯上升，對(duì)刀具有強(qiáng)烈的磨損作用。
目前，我國的鈦合金切削加工效率還比較低，生產(chǎn)中應(yīng)用最多的硬質(zhì)合金刀具推薦的切削速度在30~50m/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銑削。鈦合金車削加工時(shí)易獲得較好的表面粗糙度，加工硬化不嚴(yán)重，但切削溫度高，刀具磨損快。鈦合金的銑削加工比車削加工困難。因?yàn)殂娤魇菙嗬m(xù)切削，并且切屑易與刀刃發(fā)生粘結(jié)，當(dāng)粘屑的刀齒再次切入工件時(shí)，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(shí)，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表面之間的摩擦。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(dǎo)致材料去除率低下，增加了鈦合金加工成本;較大的切深導(dǎo)致切削力增大，影響鈦合金工件尤其是薄壁件的質(zhì)量;切削液的使用增加了加工成本，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(yàn)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)化程度還比較低，制約了鈦合金切削加工水平的提高。
鈦合金切削加工的發(fā)展趨勢(shì)
隨著航空工業(yè)的發(fā)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(gè)方向：
(1)大幅提高單位時(shí)間內(nèi)的材料去除量，實(shí)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，達(dá)到綠色切削。
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(zhì)量。鈦合金的高速槽銑和周銑實(shí)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表面的質(zhì)量。
鈦合金高速切削具有以下優(yōu)勢(shì)：
(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(duì)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，加工表面質(zhì)量好。高速切削時(shí)其進(jìn)給速度可隨切削速度的提高相應(yīng)提高5~10 倍，這樣單位時(shí)間內(nèi)材料的切除量可提高3~5 倍。另外隨著切削速度的提高，切屑可以被很快切離工件，故殘留在工件表面上的應(yīng)力很小。由于切削點(diǎn)溫度的升高工件表面鱗刺的高度會(huì)顯著降低甚至完全消失。
鈦合金高速切削也面臨著很多技術(shù)難題。高速導(dǎo)致加工表面溫度急劇升高，由于鈦合金導(dǎo)熱性差，如不采取有效的降溫措施，會(huì)使得鈦合金和空氣中元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硬化層。高溫?zé)g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(jié)果表明：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(yīng)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(yīng)具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學(xué)性能和高的可靠性。
硬質(zhì)合金刀具的價(jià)格相對(duì)低廉，是目前使用最多的鈦合金切削刀具，常用刀具有YG6、YG8 等。但是在以往的研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，通常不采用YT 類刀具，因?yàn)楹伒牡毒卟牧显诟邷叵潞苋菀着c鈦合金親合，使得粘結(jié)磨損嚴(yán)重。但是對(duì)刀具磨損的研究表明，鈦合金在低速銑削時(shí)的刀具磨損機(jī)理為粘結(jié)撕裂磨損，在高速銑削時(shí)以擴(kuò)散磨損為主。而含鈦類刀具可有效抑制擴(kuò)散磨損。因此，低速段使用的YG 類硬質(zhì)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：(1)良好的導(dǎo)熱性。金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)為硬質(zhì)合金的1.5~9倍。由于導(dǎo)熱系數(shù)及熱擴(kuò)散率高，切削熱容易從刀具散出，故切削區(qū)溫度低，這對(duì)于克服鈦合金導(dǎo)熱性差的問題有重要意義。(2)較低的熱膨脹系數(shù)。金剛石的熱膨脹系數(shù)比硬質(zhì)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(zhì)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(shí)耐用度為硬質(zhì)合金刀具10~100 倍甚至高達(dá)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。Mori 等采用新型PCD 刀具在高速切削鈦合金時(shí)獲得了較好的切削效果。但是Balkrishna Rao 等的研究結(jié)果表明，金剛石刀具的磨損形式表現(xiàn)為剝落和溝槽磨損，不能實(shí)現(xiàn)高速切削。
在刀具結(jié)構(gòu)方面， Komanduri 與Reed設(shè)計(jì)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(fù)前角;Shuting Le 等研究了可轉(zhuǎn)位刀具在高速車削Ti6Al4V鈦合金過程中的應(yīng)用狀況，在高速切削狀態(tài)下，可轉(zhuǎn)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，增加了制造成本，造成了環(huán)境污染，還會(huì)損害工人的身體健康。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(duì)綠色加工的研究主要有綠色切削技術(shù)和綠色冷卻技術(shù)。
綠色切削技術(shù)包括：干式切削、準(zhǔn)干式切削、低溫切削和綠色濕式切削。
干式切削可完全消除使用切削液導(dǎo)致的一系列負(fù)面影響，由于摩擦使工件和刀具的溫度升高，導(dǎo)致刀具磨損加快，工件產(chǎn)生殘留應(yīng)力，同時(shí)會(huì)使得刀具和工件發(fā)生熱變形，表面質(zhì)量降低，因而不適用于航空航天用鈦合金的加工。準(zhǔn)干式切削又稱MQL(Minimal Quantity Lubrication)極微量潤滑技術(shù)，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(duì)刀具和工件之間的加工部位進(jìn)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(zhì)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(huì)對(duì)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、刀具壽命和工件表面質(zhì)量，非常適用于鈦合金加工。林肯大學(xué)的Z.Y.Wang的研究結(jié)果表明，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(zhì)量。
綠色冷卻技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色加工的關(guān)鍵，主要包括：液氮冷卻、蒸汽冷卻、低溫氣體射流冷卻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(jìn)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℃的冷風(fēng)強(qiáng)烈沖刷加工區(qū)的一種冷卻方式。試驗(yàn)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，改善已加工表面的加工質(zhì)量和提高零件加工精度。由于液氮冷卻切屑收集困難，純氣體冷卻時(shí)刀具沒有得到潤滑等問題，制約了此種冷卻方式的推廣。有學(xué)者在此種方法基礎(chǔ)上提出了鈦合金低溫噴霧射流冷卻加工。低溫噴霧射流冷卻加工兼?zhèn)淞说蜏亍⑸淞鳑_擊、充分汽化和使用最綠色的空氣等幾個(gè)要素。
結(jié)束語
為了滿足航空航天對(duì)于鈦合金工件日益增長的需求，我國的鈦合金切削加工必須有長足的進(jìn)步。在基于國內(nèi)的材料、機(jī)床和管理等條件基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)鈦合金材料加工工藝路線的優(yōu)化、加工參數(shù)的優(yōu)選，提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，是推動(dòng)國內(nèi)鈦合金產(chǎn)業(yè)和航空航天工業(yè)的發(fā)展的重要因素。
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