航空航天用钛合金的切削加工现状及发展趋势

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欢迎访问e展厅 展厅 3 铣刀展厅 钨钢铣刀, 立铣刀, 整体铣刀, 盘铣刀, 螺纹铣刀, ... 钛合金在航空航天工业和其他工业部门有着广泛的应用前景。随着科学技术的不断进步和我国国民经济的快速发展，作为“崛起的第三代金属”钛工业必将大有作为。 航空航天用钛合金的特点及应用 作为航空航天领域不断兴起的材料，钛合金有以下优势[1-3]： （1）比强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686~1176MPa，而密度仅为钢的60%左右，所以比强度很高。 （2）高温性能优良。钛合金在高温下仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽。 （3）抗腐蚀性强。在550℃以下的空气中，钛表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，其耐蚀性优于大多数不锈钢。 在航空工业领域，钛合金主要用于制造喷气发动机的压气机盘、涡轮盘、叶片、机匣等，以及诸如大型主起落架支撑梁、机身后段及转向梁等结构件[4]。因钛合金具有比强度高和耐高温特点，用于制造飞机发动机和机体能够有效地提高发动机推重比和机体机构效率，有利于缓解热障现象[5]。近年来军用飞机上所用钛合金材料的比例正在不断增加[6]，钛合金材料的应用水平已成为衡量飞机先进性的重要标志之一。美国第四代战斗机的F-22 的机体主要承力材料大量采用钛64（Ti-6Al-4V），约占机身总质量的36%，钛62222 主要用于发动机周围蒙皮机构及发动机框架，约占机身总质量的3%[7]。在民用飞机方面，钛合金的应用也较为广泛。在波音777 上大约采用了11%的钛结构，其平面钛箔的用量将达到12247kg[8]。在航天工业领域，钛合金主要用于制造耐高温和低温零件[9]。如上海钢铁研究所的7715D 用于DFH-3 卫星的FY-25 型远地点发动机喷注器；俄罗斯的BT37 合金广泛应用于宇航工业形状复杂的低温管路系统。 航空航天用钛合金的切削加工现状 航空航天用钛合金零部件主要有两类。一类是复杂曲面，如叶轮、涡轮盘和叶片等，实际生产中采用多轴数控加工。图1 中采用多轴铣削加工的钛合金涡轮即为复杂曲面。另一类是薄壁框型件，如大型框、梁和壁板等多采用铣削加工。图2 中采用立铣加工的钛合金壁板是典型的薄壁框型件。上述两种工件的加工都必须从整块坯料中去除大量的材料，而钛合金的切削加工性较差，其工件的加工成本占工件总成本的比重很大。切削加工困难是导致钛合金零件价格高昂的重要因素。 1 钛合金的切削加工性 钛合金是典型的难加工材料，其加工特性表现如下[10-11]： （1）钛合金的导热性差，是不良导热体金属材料。切削加工时，切屑与前刀面的接触面积很小，特别容易引起薄壁件的热变形。 （2）钛合金弹性模量低，弹性变形大。切削时接近后刀面处工件的回弹量大，导致已加工表面与后刀面的接触面积特别大，造成加工件几何形状和精度差、表面粗糙度增大、刀具磨损增加。 （3）钛合金的亲和性大、切削温度高。切削时，钛屑及被切表层与刀具材料咬合，产生严重的粘刀现象，容易引起刀具强烈的粘结磨损。钛合金的高温化学活性强，在600℃以上时，与氧、氮产生间隙固溶。吸收气体后钛合金表面的硬度明显上升，对刀具有强烈的磨损作用。 目前，我国的钛合金切削加工效率还比较低，生产中应用最多的硬质合金刀具推荐的切削速度在30~50m/min，与国外相比还存在很大差距。 2 目前的钛合金切削加工工艺 现有的钛合金切削加工方式主要是车削和铣削。钛合金车削加工时易获得较好的表面粗糙度，加工硬化不严重，但切削温度高，刀具磨损快。钛合金的铣削加工比车削加工困难。因为铣削是断续切削，并且切屑易与刀刃发生粘结，当粘屑的刀齿再次切入工件时，粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料，形成崩刃，极大地降低了刀具的耐用度。 在加工钛合金时，通常选择较小的前角，以增大切屑与前刀面的长度；选择较大的后角，以减小后刀面与加工表面之间的摩擦。为了降低切削温度，通常选用较小的切削速度和较大的切深，并使用切削液。切削速度过小导致材料去除率低下，增加了钛合金加工成本；较大的切深导致切削力增大，影响钛合金工件尤其是薄壁件的质量；切削液的使用增加了加工成本，造成环境污染，不符合绿色切削的要求。 目前，我国的钛合金加工缺乏有效的工艺数据库支持。在具体工艺安排和切削用量选择上，往往凭经验和“试切”来确定工艺参数。此外，我国刀具和切削液的国产化程度还比较低，制约了钛合金切削加工水平的提高。 钛合金切削加工的发展趋势 随着航空工业的发展，钛合金将逐步取代铝合金，成为航空工业的主要材料。未来的钛合金切削加工将主要面向3 个方向： （1）大幅提高单位时间内的材料去除量，实现高效加工； （2）研发新型刀具，延长刀具使用寿命； （3）减少切削液的使用，达到绿色切削。 1 钛合金高速切削 高速切削能大幅提高钛合金加工效率，并保证零件加工质量。钛合金的高速槽铣和周铣实践证明，高速切削不仅能提高加工效率，还能有效提高被加工表面的质量[12-14]。 钛合金高速切削具有以下优势： （1）温升少，工件热变形小。高速切削虽然产热量多，但由于切屑从工件上切离的速度快，90% 以上的切削热被切屑带走，传给工件的热量很小，工件积累热量极少，这对于减少钛合金热变形有重要意义。 （2）切削力低。切削速度高使得剪切变形区变窄，剪切角增大，变形系数减小和切屑流出速度快，从而使切削变形减小，切削力比常规切削力低30%~90%, 特别适合于加工刚性差的航空用钛合金薄壁件。 （3）材料切除率高，加工表面质量好。高速切削时其进给速度可随切削速度的提高相应提高5~10 倍，这样单位时间内材料的切除量可提高3~5 倍。另外随着切削速度的提高，切屑可以被很快切离工件，故残留在工件表面上的应力很小。由于切削点温度的升高工件表面鳞刺的高度会显著降低甚至完全消失。 钛合金高速切削也面临着很多技术难题。高速导致加工表面温度急剧升高，由于钛合金导热性差，如不采取有效的降温措施，会使得钛合金和空气中元素发生化学反应，形成硬化层。高温烧蚀和切削力的增大造成刀具急剧磨损，使得加工不能持续。 2 钛合金切削加工的高性能刀具 大量的研究结果[15-17] 表明：刀具的快速磨损是制约钛合金高速切削加工的最主要因素。因而，要想提高钛合金加工和应用水平，必须研发适用于钛合金的高性能刀具。刀具材料方面，应具备高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能和高的可靠性。 硬质合金刀具的价格相对低廉，是目前使用最多的钛合金切削刀具，常用刀具有YG6、YG8 等。但是在以往的研究和生产实践中，通常不采用YT 类刀具，因为含钛的刀具材料在高温下很容易与钛合金亲合，使得粘结磨损严重。但是对刀具磨损的研究表明，钛合金在低速铣削时的刀具磨损机理为粘结撕裂磨损，在高速铣削时以扩散磨损为主[18]。而含钛类刀具可有效抑制扩散磨损。因此，低速段使用的YG 类硬质合金刀具不适合钛合金高速切削，而YT 类刀具将是新的研究方向。 PCD 刀具的性能很适宜于加工钛合金[19] ：（1）良好的导热性。金刚石的导热系数为硬质合金的1.5~9倍。由于导热系数及热扩散率高，切削热容易从刀具散出，故切削区温度低，这对于克服钛合金导热性差的问题有重要意义。（2）较低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍约为高速钢的1/10，在高温下，能够更好地保证钛合金工件的加工质量。（3）极高的硬度和耐磨性。金刚石刀具在加工高硬度材料时耐用度为硬质合金刀具10~100 倍甚至高达几百倍。使用金刚石刀具切削钛合金，能够有效延长刀具使用寿命。Mori 等[20] 采用新型PCD 刀具在高速切削钛合金时获得了较好的切削效果。但是Balkrishna Rao 等[21]的研究结果表明，金刚石刀具的磨损形式表现为剥落和沟槽磨损，不能实现高速切削。 在刀具结构方面， Komanduri 与Reed[22] 设计了一种可提高刀具寿命的新型刀夹，该刀夹可获得较大的刀具后角和负前角；Shuting Le 等[23] 研究了可转位刀具在高速车削Ti6Al4V钛合金过程中的应用状况，在高速切削状态下，可转位刀具的寿命比固定位刀具的寿命增长了37 倍。 3 钛合金绿色切削 传统的钛合金切削使用大量的冷却液，增加了制造成本，造成了环境污染，还会损害工人的身体健康[24]。绿色切削可有效解决由切削液引起的各类问题。目前国内外对绿色加工的研究主要有绿色切削技术和绿色冷却技术。 绿色切削技术包括：干式切削、准干式切削、低温切削和绿色湿式切削[25-26]。 干式切削可完全消除使用切削液导致的一系列负面影响[25]，由于摩擦使工件和刀具的温度升高，导致刀具磨损加快，工件产生残留应力，同时会使得刀具和工件发生热变形，表面质量降低，因而不适用于航空航天用钛合金的加工。准干式切削又称MQL（Minimal Quantity Lubrication）极微量润滑技术，它是将极微量的切削油与具有一定压力的压缩空气混合并雾化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效的润滑。MQL 可以大大减少“刀具-工件”和“刀具- 切屑”之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用。使用的润滑液很少，而效果却十分显著，既提高了工效，又不会对环境造成污染，是钛合金切削加工的有效途径。低温切削能够提高工件的切削加工性、刀具寿命和工件表面质量，非常适用于钛合金加工。林肯大学的Z.Y.Wang [27] 的研究结果表明，在超低温加工状态下，刀具材料能够保持良好的切削性能，提高了刀具寿命，保证了切削效率和加工质量。 绿色冷却技术是实现绿色加工的关键，主要包括：液氮冷却、蒸汽冷却、低温气体射流冷却以及喷雾射流冷却等。 液氮冷却采用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工，是目前主要的低温加工手段。低温气体射流冷却是采用-10~-100℃的冷风强烈冲刷加工区的一种冷却方式。试验证明，该方式可以显著均匀地降低加工区、刀具及工件的温度，有效地抑制刀具磨损，提高刀具耐用度，改善已加工表面的加工质量和提高零件加工精度[28-29]。由于液氮冷却切屑收集困难，纯气体冷却时刀具没有得到润滑等问题，制约了此种冷却方式的推广。有学者在此种方法基础上提出了钛合金低温喷雾射流冷却加工[30]。低温喷雾射流冷却加工兼备了低温、射流冲击、充分汽化和使用最绿色的空气等几个要素。 结束语 为了满足航空航天对于钛合金工件日益增长的需求，我国的钛合金切削加工必须有长足的进步。在基于国内的材料、机床和管理等条件基础上，进一步加强钛合金材料加工工艺路线的优化、加工参数的优选，提高加工效率和产品质量，是推动国内钛合金产业和航空航天工业的发展的重要因素。

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