航空航天鈦合金材料的加工工藝

飛機(jī)近年來(lái)，對(duì)汽車和飛機(jī)零件高強(qiáng)度化和輕量化的要求越來(lái)越高。因此，這些零件所使用材料中的鈦、鎳合金等也在不斷增加。這種材料一般稱為切削加工性差的‘難切削材料’。加工此類材料的切削刀具也必須能夠適應(yīng)難切削材料特有的加工條件和加工方法。飛機(jī)機(jī)身部件以及噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)零部件越來(lái)越多地采用了鈦合金。在波音公司最新型的B787-8噴氣客機(jī)中，每架飛機(jī)的鈦合金使用量已增加到10噸左右。目前，金屬鈦生產(chǎn)的工業(yè)方法是可勞爾法，產(chǎn)品為海綿鈦。制取鈦材傳統(tǒng)的工藝是將海綿鈦經(jīng)熔鑄成錠，再加工而成鈦材。

鈦合金的優(yōu)點(diǎn)：①重量輕；②比強(qiáng)度高；③耐金屬疲勞；④化學(xué)性能穩(wěn)定。鈦合金的缺點(diǎn)：①切削加工性差；②溫度超過400℃則強(qiáng)度降低（因此用于發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫部分）。鈦和鈦合金塑性加工具有變形抗力大；常溫塑性差、屈服極限和強(qiáng)度極限比值高、回彈大、對(duì)缺口敏感、變形過程易與模具粘結(jié)、加熱時(shí)又易吸咐有害氣等特點(diǎn)，塑性加工較鋼、銅困難。故鈦和鈦合金的加工工藝必須考慮它們的這些特點(diǎn)。

鈦合金的加工方法
（1） 將刀尖溫升控制到最小程度
①切削速度不宜過高（40～60m/min）
切削速度過高會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，導(dǎo)致刀具壽命降低，因此應(yīng)避免采用過高的切削速度。
②縮短刀具與工件的接觸時(shí)間
刀具與工件接觸時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量就越多，會(huì)導(dǎo)致刀具壽命降低。而刀具直徑越大，接觸時(shí)間就越長(zhǎng)，因此在允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能使用小直徑刀具。
③不宜加大切削寬度
切削寬度越大，接觸時(shí)間越長(zhǎng)，會(huì)增加發(fā)熱量。因此，加工時(shí)不宜加大切削寬度，而通過增加切削長(zhǎng)度來(lái)提高加工效率。使用長(zhǎng)刃刀具等對(duì)于粗加工很有效。切削寬度小的臺(tái)肩銑削能減少切削熱，使提高切削速度成為可能。
④使用45°主偏角刀具
只要工件形狀允許，應(yīng)盡可能使用45°主偏角的刀具，以減薄切屑，延長(zhǎng)刀具壽命。
⑤充分使用切削液，提高冷卻效果
充分使用切削液，尤其是15MPa以上的超高壓切削液，以降低刀尖溫度、改善切屑處理效果、防止產(chǎn)生積屑瘤。從而能夠提高切削速度和生產(chǎn)率。
（2）提高刀具剛性
通過縮短刀具懸伸長(zhǎng)度、增大刀具直徑，可提高刀具剛性、減小刀具撓曲度。在因工件形狀必須采用較大懸伸量的場(chǎng)合，應(yīng)用插銑加工也很有效。
（3）鋸齒切削刃刀具的使用
由于鋸齒切削刃可減小接觸寬度，從而可減少熱量的產(chǎn)生。此外，切削液可從鋸齒之間到達(dá)被切削面，因此鋸齒切削刃刀具對(duì)鈦合金的加工十分有效。
鈦的各種屬性使之成為具有強(qiáng)大吸引力的零件材料，但其中許多屬性同時(shí)也影響著它的可加工性。鈦具備優(yōu)良的強(qiáng)度-重量比，其密度通常僅為鋼的60%。鈦的彈性系數(shù)比鋼低，因此質(zhì)地更堅(jiān)硬，撓曲度更好。鈦的耐侵蝕性也優(yōu)于不銹鋼，而且導(dǎo)熱性低。這些屬性意味著鈦金屬在加工過程中會(huì)產(chǎn)生較高和較集中的切削力。它容易產(chǎn)生振動(dòng)而導(dǎo)致切削時(shí)出現(xiàn)震顫；并且，它在切削時(shí)還容易與切削刀具材料發(fā)生反應(yīng)，從而加劇月牙洼磨損。此外，它的導(dǎo)熱性差，由于熱主要集中在切削區(qū)，因此加工鈦金屬的刀具必須具備高熱硬度。

某些機(jī)加工車間發(fā)現(xiàn)鈦金屬難以有效加工，但這種觀點(diǎn)并不代表現(xiàn)代加工方法和刀具的發(fā)展趨勢(shì)。之所以困難，部分是因?yàn)殁伣饘偌庸な切屡d工藝，缺少可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。此外，困難通常與期望值及操作者的經(jīng)驗(yàn)相關(guān)，特別是有些人已經(jīng)習(xí)慣了鑄鐵或低合金鋼等材料的加工方式，這些材料的加工要求一般很低。相比之下，加工鈦金屬似乎更困難些，因?yàn)榧庸r(shí)不能采用同樣的刀具和相同的速率，并且刀具的壽命也不同。即便與某些不銹鋼相比，鈦金屬加工的難度也仍然要高。我們固然可以說，加工鈦金屬必須采取不同的切削速度和進(jìn)給量以及一定的預(yù)防措施。其實(shí)與大多數(shù)材料相比，鈦金屬也是一種完全可直接加工的材料。只要鈦工件穩(wěn)定，裝夾牢固，機(jī)床的選擇正確，動(dòng)力合適，工況良好，并且配備具有較短刀具懸伸的ISO50主軸，則所有問題都會(huì)迎刃而解——只要切削刀具正確的話。