钛合金数控加工机床的基本要求

钛合金数控加工机床的基本要求 现今，铝合金材高效高速数控加工机床技术已相当成熟， 并得到了广泛应用。随着钛合金材 整体构件在大型飞机上的应用增多， 其切削加工的低效已成为大型飞机快速制造的瓶颈， 配 置有高功率高转矩主轴的钛合金材高速数控MC 机床已成为许多航宇制造业用户特别关注 和优先考虑的现代化先进关键制造装备之一。所有这些，促使工业界更加关注钛合金材 HEM-HSM 加工技术及其装备的发展与工业应用。 世界许多著名数控机床和主轴制造商也都 加强了对该技术领域的开发研究力度， 一些机床制造商甚至还成立专门的研发中心， 积极为 航宇制造业推出了多种类型用于大型复杂钛合金材整体结构件HEM-HSM 加工应用的数控 加工机床。 众所周知，直到目前为止工业界对高速加工技术HSM 还未有一种统一、明确、权威和公认 的定义。实际上，HSM 技术中“高速”是为一种相对性概念，对不同工件材料或不同切削工 艺类型其 HSM 定义的“高速”速度范围则是不同的。钛合金材相对材料可加工性Kr 仅为 0.220.35，属很难切削加工之金属材，其高速切削速度范围（ 1001,200m/min）远低于铝 合金材（2,5007,500m/min）。比如一把直径50mm 刀具，在主轴转速4,000r/min 时其切 削速度为 628m/min，对铝合金材而言，这挨不上高速的边，但对钛合金材而言，这已是较 高速了。显然，用于钛合金材HEM-HSM 加工应用的高速数控加工机床明显不同于铝合金 材场合，简单地讲，对铝合金材需要高功率高转速主轴的数控加工机床， 对钛合金材则需要 高功率高转矩主轴的数控加工机床。 钛合金材为何难切削加工 钛合金材具有高强度、高硬度和低密度材料特性，如钛合金Ti-6Al-4V（简称 Ti-6-4）抗拉 强度达 900MPa，硬度为250∼375HB，密度4.42 g/cm3，使得钛合金材整体结构件除在现 代军用飞机上得到广泛应用外， 在现代大型客机上也得到了越来越多的应用， 其用材重量占 飞机结构总重量百分比数呈现快速上升趋势， 并已开始超过了钢结构件。 因此，实现钛合金 材结构件高效率切削加工已成为大型飞机制造生产之关键。 然而，和铝合金材相比， 钛合金 材属很难加工金属材，其切削加工的难点主要表现在如下若干方面 大切削力 众所周知，通常金属材料的硬度和强度越高， 则其切削加工所需要的切削力就越大， 切削温 度就越高，刀具磨损就越快，故相对可加工性也就越差。如铝合金材相对可加工性系数Kr 为 2.0∼7.5，高强度钢Kr 为 0.3∼0.7，钛合金Kr 为 0.22∼0.35，而航空高强度高温合金Kr 仅 0.07∼0.3。因此，和切削加工铝合金等轻金属材相比，钛合金材切削加工需要更大切削 力，通常需近1,000∼数千牛（Newton，N），是普通钢材的2∼4 倍，是铝合金材的10∼40 倍。如用一把 4 齿直径 32mm 的端铣刀，切深 19mm，以 20 cm3/min金属切除率切削加工 钛合金材时将会产生4,445N 1,000 lbs负载力， 若刀具磨损50， 负载力将增加至8,890N。 因此， 加工钛合金等硬合金材需要大切削力就意味着需要高转矩主轴， 或就意味着仅允许使 用较低切削速度，大约仅为铝合金材时的10。 高切削温度 切削加工钛合金材时，通常切屑与刀具前刀接触面较小，切削点的温度极高，可达 1,1001,200℃左右，切削区高温状态易使刀尖很快熔化或粘结，导致刀具磨损严重。 此外，钛合金材热传导系数低，大约仅为合金钢的15，铝合金材的5，（钛热传导系数 15.24 W/mK；钛合金 Ti-6-4 为 7.56 W/mK；AISI 4340 合金钢为 44.6 W/mK；45 号钢为 50.2 W/mK；7075 铝合金为 130W/mK），大约 80切削加工过程中所产生的热量传入到 刀具中，而不像典型高速切削加工铝合金等金属材那样有75热量传入到切屑中，传到刀 具仅约 15。因此，钛合金切削过程中刀具切削点的高温热量很难由切屑快速带走，加速 了刀具磨损。这也就决定了对钛合金材必须采用高压大流量冷却液切削加工。 易生成硬化层 钛化学活性高，在高温状态下极易发生化学反应，导致切削表面生成硬化层，其深度可达 0.1∼0.15 mm，致使表层硬度大幅度提高，加速了刀具磨损。 同时，高化学活性导致加工中 切屑与刀具的粘结现象严重，也加速了刀具磨损。 高摩擦功 钛合金摩擦系数大，导致在切削过程中，切屑流经刀具前刀面时所需摩擦功大， 摩擦界面温 度极高，进一步加速了刀具磨损。 易产生弹性变形和振动 钛合金弹性模量小（钛合金Ti-6-4 为 110kN/mm2，钢 Ck45110kN/mm2，210kN/mm2）， 导致切削时易产生弹性变形和振动， 不仅影响零件加工尺寸精度和加工表面粗糙度， 而且已 加工面的弹性恢复较大，约为不锈钢的2∼3 倍，同样可加速刀具磨损。 同时，钛合金低弹性模量使其具有明显橡胶特性趋势， 容易使刀具切削刃产生屑瘤， 同样也 可加速刀具磨损，制约了使用高切削速度。 低切削速度 前面所述的钛合金切削加工中所存在的问题， 将会导致其切削过程刀具磨损严重， 刀具耐用 度降低。因此， 为改善钛合金材加工性能，保证切削刀具使用寿命，通常要求切削加工钛合 金材使用较低切削速度。 如采用传统加工方法切削加工钛合金材零件， 其切削速度一般不超 过 4050m/min，粗加工时金属切除率mrr 一般不超过 40cm3/min，而精加工时 mrr 一般不 超过 l0cm3/min。而采用HEM-HSM 加工时，目前切削速度可达1001,200m/min，金属切 除率 mrr 最高可达 700cm3/min，见图。但在实际工业生产中一般均低于此最高值以确保刀 具具有足够的耐用度，典型切削速度为100400m/min，金属切除率 mrr 典型为 100400cm3/min。 钛合金金属切除率 mrr 提高历程 小刀具接触弧系数 为维持高刀具耐用度和改善加工质量， 切削加工钛合金材整体构件， 一般要求刀具接触弧系 数≦ 40，在使用较高切削速度（≧ 120m/min）时则通常要求刀具接触弧系数≦ 15，普 通钢则可达 50-100。 刀具接触弧系数定义为刀具切削宽度WOC （径向切深， Radial Depth of cut）和刀具直径 D 比值之百分数。此外，工业实践表明当刀具接触弧系数≦ 25时， 切削速度可增加 50，而当刀具接触弧系数≦ 10时，切削速度可增加 100。 鉴于上述钛合金材切削加工之特殊性， 因而和切削加工铝合金材相比， 对其加工效率、加工 精度、加工表面粗糙度、刀具耐用度、颤振抑制和变形控制等都提出更高的要求。为此，世 界许多著名的数控机床制造商都对传统高速数控加工机床进行创新性发展， 积极推出了适合 于钛合金材整体结构件HEM-HSM 加工的各种高效高速数控加工机床。 如日本 Makino 公司 在其 Mason 工厂专门成立了钛合金加工技术研究开发中心， 并在最近几年推出了多款钛合 金材高效高速数控加工机床。