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航空航天用鈦合金的切削加工現狀及發展趨勢
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-11-12
在航空工業領域，鈦合金主要用于制造噴氣發動機的壓氣機盤、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。因鈦合金具有比強度高和耐高溫特點，用于制造飛機發動機和機體能夠有效地提高發動機推重比和機體機構效率，有利于緩解熱障現象。
鈦合金在航空航天工業和其他工業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濟的快速發展，作為“崛起的第三代金屬”鈦工業必將大有作為。
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，鈦合金有以下優勢：
(1)比強度高。鈦合金具有很高的強度，其抗拉強度為686~1176MPa，而密度僅為鋼的60%左右，所以比強度很高。
(2)高溫性能優良。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℃以下的空氣中，鈦表面會迅速形成薄而致密的氧化鈦膜，其耐蝕性優于大多數不銹鋼。
在航空工業領域，鈦合金主要用于制造噴氣發動機的壓氣機盤、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。因鈦合金具有比強度高和耐高溫特點，用于制造飛機發動機和機體能夠有效地提高發動機推重比和機體機構效率，有利于緩解熱障現象。近年來軍用飛機上所用鈦合金材料的比例正在不斷增加，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 主要用于發動機周圍蒙皮機構及發動機框架，約占機身總質量的3%。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達到12247kg。在航天工業領域，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 衛星的FY-25 型遠地點發動機噴注器;俄羅斯的BT37 合金廣泛應用于宇航工業形狀復雜的低溫管路系統。
航空航天用鈦合金的切削加工現狀
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，實際生產中采用多軸數控加工。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。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，其加工特性表現如下：
(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，鈦屑及被切表層與刀具材料咬合，產生嚴重的粘刀現象，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℃以上時，與氧、氮產生間隙固溶。吸收氣體后鈦合金表面的硬度明顯上升，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較低，生產中應用最多的硬質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。鈦合金車削加工時易獲得較好的表面粗糙度，加工硬化不嚴重，但切削溫度高，刀具磨損快。鈦合金的銑削加工比車削加工困難。因為銑削是斷續切削，并且切屑易與刀刃發生粘結，當粘屑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。切削速度過小導致材料去除率低下，增加了鈦合金加工成本;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成本，造成環境污染，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據庫支持。在具體工藝安排和切削用量選擇上，往往憑經驗和“試切”來確定工藝參數。此外，我國刀具和切削液的國產化程度還比較低，制約了鈦合金切削加工水平的提高。
鈦合金切削加工的發展趨勢
隨著航空工業的發展，鈦合金將逐步取代鋁合金，成為航空工業的主要材料。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的材料去除量，實現高效加工;
(2)研發新型刀具，延長刀具使用壽命;
(3)減少切削液的使用，達到綠色切削。
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表面的質量。
鈦合金高速切削具有以下優勢：
(1)溫升少，工件熱變形小。高速切削雖然產熱量多，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變窄，剪切角增大，變形系數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5~10 倍，這樣單位時間內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力很小。由于切削點溫度的升高工件表面鱗刺的高度會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難題。高速導致加工表面溫度急劇升高，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生化學反應，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。
2 鈦合金切削加工的高性能刀具
大量的研究結果表明：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用水平，必須研發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、YG8 等。但是在以往的研究和生產實踐中，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表明，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。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：(1)良好的導熱性。金剛石的導熱系數為硬質合金的1.5~9倍。由于導熱系數及熱擴散率高，切削熱容易從刀具散出，故切削區溫度低，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。金剛石的熱膨脹系數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10~100 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。Mori 等采用新型PCD 刀具在高速切削鈦合金時獲得了較好的切削效果。但是Balkrishna Rao 等的研究結果表明，金剛石刀具的磨損形式表現為剝落和溝槽磨損，不能實現高速切削。
在刀具結構方面， Komanduri 與Reed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;Shuting Le 等研究了可轉位刀具在高速車削Ti6Al4V鈦合金過程中的應用狀況，在高速切削狀態下，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，造成了環境污染，還會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。
干式切削可完全消除使用切削液導致的一系列負面影響，由于摩擦使工件和刀具的溫度升高，導致刀具磨損加快，工件產生殘留應力，同時會使得刀具和工件發生熱變形，表面質量降低，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，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量，非常適用于鈦合金加工。林肯大學的Z.Y.Wang的研究結果表明，在超低溫加工狀態下，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。
綠色冷卻技術是實現綠色加工的關鍵，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、刀具或切削區處于低溫冷卻狀態進行切削加工，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℃的冷風強烈沖刷加工區的一種冷卻方式。試驗證明，該方式可以顯著均勻地降低加工區、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。有學者在此種方法基礎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備了低溫、射流沖擊、充分汽化和使用最綠色的空氣等幾個要素。
結束語
為了滿足航空航天對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步。在基于國內的材料、機床和管理等條件基礎上，進一步加強鈦合金材料加工工藝路線的優化、加工參數的優選，提高加工效率和產品質量，是推動國內鈦合金產業和航空航天工業的發展的重要因素。