新型飞机越来越多地采用钛金属，因为这种材料结合了很高的刚性和极好的防腐蚀特性。但是在这种材料的推广运用方面，较低的单位时间切削量仍是目前的一个瓶颈。在汉诺威的IFW上，通过对刀具几何形状进行针对性的设计，单位时间切削量可以提高300%以上。
钛金属在下一代飞机（如波音787或空客A350XWB）的结构重量中的比重将超过15%，大约是目前飞机上的比重的两倍（图1）。这种发展的主要原因在于人们越来越多地对碳素纤维加强型塑料（CFK）的应用。例如，CFK在结合使用铝合金时，会因电化学电位差而导致腐蚀。结合使用CFK和钛金属则会使得这种电位差降低到只剩下原来的1/5。鉴于钛金属的这种特性（如很强的刚性和较低的导热性），它非常适合于航空制造业的应用。
图1 钛金属材料将在波音787和空客A350XWB上占据飞机重量的14%~20%，
这相当于目前机型的两倍
钛金属大型结构件的应用目前还处于规划之中，对于切削作业来说是一个挑战。例如波音787 Dreamliner飞机上翼弦的切削率为大约95%（图2）。除了较高的原材料费用之外，钛金属的较低的切削量会导致较长的加工时间和较高的部件成本。如果说随着科技的进步，铝的单位时间切削量可以在1996至2006年期间翻了两倍多（从大约2000cm3/min提高到了7000cm3/min）的话，而钛金属的单位时间切削量则只有大约50cm3/min，仍然停留在一个比较低的水平上。由于这种金属材料越来越多地被使用在飞机工业上，因此需要大幅度地提高这种材料的单位时间切削量。
图2 波音787 Dreamliner的上翼弦依靠切削锻质钛金属而制成，
这种部件的切削率为95%
对钛金属进行粗铣削作业时，经常使用HSS（高速钢）材质的铣刀。这种刀具由于具有很大的弹性，因此可以达到较大的进给量。但是这种材质的耐热性很低，因此只能适用于较低的切削速度。硬金属刀具虽然可以达到较高的切削速度，但时至今日所设计的刀具外形仍然只是适合加工铝质产品。迄今为止尚未有适合于高速铣削钛金属的专门刀具。总的来说，针对这种切削工艺，大多采用自由角度大的锋利刀片。
在此背景下，通过对刀具外形的最佳化设计，可以实现单位切削量的提高。对此，IFW目前正在实施“通过刀具研发提高钛金属铣削单位时间切削量”的课题，该项目由工业研究基金会资助，并得到航空和刀具行业的众多企业的支持。该项目的目标是要通过研发钛金属专用的宏观和微观铣刀外形，使得带有全硬金属刀具的刀柄铣刀的单位时间切削量至少提高100%。针对铣刀的宏观几何外形，在切削角度、自由角度、螺旋角度和刀尖圆弧半径以及刀片在铣刀圆周上的不均匀分布等方面，进行了研究。针对铣刀的微观几何外形，则对刀刃钝化和支撑倒角进行观察。
在提高钛金属铣削的单位时间切削量上，一个制约性的因素便是很高的刀具磨损程度。因此，这里首先要对几何外形相关的切削角度和自由角度对刀具的使用寿命产生影响的系统研究作一个介绍。
小切削角度会导致大磨损
对切削角度和自由角度对刀具磨损的影响的研究，是在一个铣刀头的未镀层可转位刀片上进行的。在传统的切削参数（vc= 45m/min, fz=0.03mm）上，切削楔的几何外形对刀具磨损的影响可以被忽略不计。所有的刀具都显示出极小的自由面磨损。最大的磨损量为在一个切削量Vw= 470cm3之后的VB=30μm。切削角度γ变量在vc=75m/min的较高速度下，显示出较大的切削角度可延长刀具的使用寿命（图3）。
图3 在切削速度为vc=75 m/min时的切削角度变化试验。试验表明，
切削角度大可提高刀具的使用寿命
在采用较小的切削角度时，由于机械载荷较大，因此在刀片边缘容易产生喷溅。这种喷溅会造成刀具的早期失灵。如果切削角度较大，达到γ=14和γ=20时，则刀具的磨损就会变缓。γ=20的刀具同样会出现刀片边缘喷溅，这是因为楔角β=58为较小。
正向的切削角度一方面可以带来较小的工作力，刀片只会受到较小的载荷；另一方面却会生成较小的楔角度，造成不稳定的机械切割。此外，在切削速度较高时，所产生的工艺热量不能充分地从刀刃上被排走，刀具从而会受到很大的热载荷。采取γ=14切削角度的刀具可以达到最好的折衷程度，即切削力小，刀具边缘稳定，其磨损状态达到最佳。
自由角度小 磨损状态佳
除了切削角度之外，自由角度α也是刀具宏观几何外形的一个决定性的因素。在采用传统的切削参数（vc=45m/min）对钛金属进行铣削时，所有所试验的自由角度都显示较小的磨损痕迹宽度，这些磨损主要都是磨损和大喷溅导致的（图4）。自由角度小（α=6）的刀具显示出良好的磨损状况。这与广泛认为的在加工钛合金时必须采用大自由角度的设想相违。REM对所磨损刀片进行的试验显示出刀片边缘有较小的磨蚀，但是磨蚀被限定在喷溅范围之内。总的来说，这不会导致刀具的早期失灵。
图4 自由角度α对磨损量有着关键性的影响。在切削钛金属时，与大的自由角度相比，
小的自由角度可以带来较乐观的磨损状态，这与普遍存在的设想相反
如果把切削速度提高到vc= 75m/min的话，刀具会在α=15的自由角度和α=18时因刀片边缘喷溅而会在很低的切削量下失灵。只有当自由角度为α=6时，才显示出一种恒定的和较低的磨损。这个自由角度的数据要明显比铝加工时通常采用的α=12~14的自由角度来得小。
专用几何形状可降低磨损
专门针对钛合金铣加工的刀具几何外形设计可以明显降低刀具的磨损。在对TiAl6V4进行铣槽时，采用小的自由角度结合相对大的切削角度，即可达到较小的刀具磨损。而大的自由角度（如用于铝加工的刀具）则会导致刀片边缘的早期喷溅。若选择的切削角度过大，则加切削力就会增大，从而刀具的机械负荷也就会明显增大，这也会导致刀片边缘的喷溅。因此，在设计用于钛金属加工的刀具时，需要注重刀片边缘的稳定性。
通过改善刀具的磨损状况，刀具即可用于很高的切削速度和很高的进给量的加工条件，并仍能达到Vw>400cm3的切削量。这个结果可以极大提高单位时间的切削量，并提高加工效率。这里所示的研究的结果与对旋转角度、刀片不均匀分布和切割边缘钝化等的结果一起，融入到了对一种16mm全硬金属柄式铣刀的设计方案里。采用这种刀具，单位时间切削量可以从25cm3提高到102cm3，这相当于提高了300%以上。
图5 通过对刀具几何外形的定向设计，单位时间切削量可从25 cm3上升到102cm3，
由此可以提高300%以上
“通过刀具研发提高钛金属铣削单位时间切削量”的课题得到了工业研究基金会的赞助。作为工业合作伙伴，Airbus Deutschland GmbH、Eurocopter Deutschland GmbH、Rolls-Royce Ltd. & Co. KG、Heggemann AG、Prototyp Werke GmbH、Kennamental Technologies GmbH、Paul Horn GmbH和Lehmann GmbH Praezisionswerkzeuge等公司都支持此项目。(end)
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