“鈦合金”難加工怎么辦?一定要讀懂這6個關(guān)鍵加工工藝技術(shù)
為滿足隱身、長壽命以及結(jié)構(gòu)輕量化等方面的性能要求，鈦合金結(jié)構(gòu)件在現(xiàn)代飛機設(shè)計中被大量應(yīng)用(如圖1所示)。鈦合金飛機結(jié)構(gòu)件主要包括框、梁、壁板等，主要有輪廓尺寸大、槽腔多、槽腔深、壁薄且通常具有變斜角理論曲面等結(jié)構(gòu)特點，數(shù)控加工時材料去除率高達90%~95%，薄壁、深槽腔特征占80%以上，為典型的弱剛性結(jié)構(gòu)，加工狀態(tài)極不穩(wěn)定。由于鈦合金材料本身彈性模量低、彈性變形大、切削溫度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、高溫時化學(xué)活性高，使得切削粘刀現(xiàn)象嚴重，容易加劇刀具磨損甚至破損，導(dǎo)致鈦合金切削加工性較差。
在鈦合金飛機整體框、梁及大型壁板制造過程中，由于零件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，外形協(xié)調(diào)性要求高，零件裝配協(xié)調(diào)面、交點孔等數(shù)目多，零件制造精度要求高，加工過程中金屬去除量大、相對剛度較低、加工工藝性差，在切削力、切削振動、切削熱等多種因素的影響下，導(dǎo)致在加工中容易出現(xiàn)讓刀、變形、振動等問題，加工質(zhì)量很難控制。而鈦合金本身作為一種典型的難加工材料，對機床、刀具、加工工藝等要求極高。因此，上述諸多因素導(dǎo)致傳統(tǒng)的鈦合金航空結(jié)構(gòu)件加工只能在低切削用量水平上進行，生產(chǎn)周期長，加工成本較高，鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的加工已成為航空制造業(yè)中復(fù)雜的制造工藝難題。
鈦合金航空構(gòu)件關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢
1 鈦合金零件工裝裝夾技術(shù)
鈦合金零件裝夾原則是：
(1)粗加工階段夾緊力要大，防止在大切削力加工過程中零件松動;精加工階段夾緊力要小，防止裝夾變形。
(2)夾緊力作用在剛性好的地方，且施力點盡可能多。
(3)對于剛性較差的薄壁結(jié)構(gòu)零件應(yīng)增加適當(dāng)?shù)妮o助裝置，增加整個加工工藝系統(tǒng)的剛性。
國外大量采用了自動化程度較高的專用夾具，如采用液壓可調(diào)整工裝，在加工零件外輪廓中當(dāng)切削刀具接近壓緊點時壓板自動讓開，刀具切削后壓板立即返回原位壓緊零件。還有一些公司采用與被加工零件相同的材料制造夾具、壓板，裝夾時與零件形成一體，切削過程中不必考慮避讓夾具壓板，加工效率明顯提高。
國內(nèi)對鈦合金航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中的工裝夾具缺少較為深入的研究和開發(fā)，更多的是采用簡單機械裝夾方式。簡單機械裝夾方式受人為因素影響，夾緊力不容易控制。還有一些平面型單面結(jié)構(gòu)、厚度較小結(jié)構(gòu)件的夾緊采用真空吸附方式，而真空吸附方式對于厚度較大、雙面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件吸附效果較差。
對于剛性較低的工件，夾緊力是引起零件變形的一個重要因素。在加工中，夾緊力與切削力間的波動效應(yīng)產(chǎn)生耦合作用，引起加工殘余應(yīng)力和工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的重新分布，影響工件的變形。特別是薄壁零件剛性差，加工時夾、壓的彈性變形將影響表面的尺寸精度和形狀、位置精度。因夾緊力與支承力的作用點選擇不當(dāng)，也會引起附加應(yīng)力。對于此類零件的數(shù)控加工，在裝夾方面可采用“基于加工過渡外形的柔性裝夾”方法，即通過測量自由狀態(tài)下的過渡外形并調(diào)節(jié)凸臺高度和頂部斜率，使得裝夾系統(tǒng)的柔性凸臺外形與零件過渡外形在自由狀態(tài)下完全貼合，避免裝夾變形。柔性凸臺的分布可根據(jù)實際情況進行調(diào)整，使得裝夾力分布均勻(如圖2所示)。
中航工業(yè)成飛與清華大學(xué)合作，針對柔性工裝以及柔性支撐部件的設(shè)計制造進行了探索。但是，柔性工裝的制造成本和制造周期較長，在實際大型鈦合金結(jié)構(gòu)件加工裝夾中，通常通過采用“無應(yīng)力裝夾”方式，即在剛性凸臺上加墊片來避免裝夾變形，取得了較好的應(yīng)用效果。
鈦合金結(jié)構(gòu)件裝夾布局優(yōu)化等方面的許多理論和實際應(yīng)用問題有待進一步研究和解決，未來主要的研究和發(fā)展趨勢包括以下兩個方面：一是合理裝夾方案的設(shè)計，通過合理的裝夾方案設(shè)計有效地增加工藝系統(tǒng)的剛度，減少工件的變形，提高切削加工的穩(wěn)定性;二是新的輔助支承裝夾方式的研究，對于薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金零件而言，傳統(tǒng)采用輔助支承以增加結(jié)構(gòu)剛性的工藝手段，難以滿足高精度的加工要求，且操作復(fù)雜、效率低，需突破一些新的輔助支承裝夾方法。
2 鈦合金加工刀具技術(shù)
隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展，高速切削刀具材料和刀具制造技術(shù)都發(fā)生了巨大的變化，新材料、新涂層、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。然而，目前刀具技術(shù)仍是限制鈦合金等難加工材料加工效率提高的一個技術(shù)瓶頸。由于鈦合金彈性模量低、彈性變形大、切削溫度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、高溫時化學(xué)活性高，使得切削粘刀現(xiàn)象嚴重，容易加劇刀具磨損甚至破損，導(dǎo)致鈦合金切削加工性較差。因此鈦合金加工刀具技術(shù)成為制約鈦合金高效加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。
從提高金屬去除率的角度出發(fā)，目前鈦合金航空結(jié)構(gòu)件高效粗加工刀具主要有玉米銑刀、插銑刀、大進給銑刀以及組合刀具等(如圖3所示)。其中，采用玉米、插銑刀以及組合刀具等對機床功率和扭矩有一定的要求，而大進給銑刀對機床功率和扭矩以及剛性無特殊要求。已有加工應(yīng)用表明，采用大進給銑刀，切削效率可有效提高50%以上。
從控制零件的加工精度出發(fā)，鈦合金航空結(jié)構(gòu)件高效精加工刀具主要為整體螺旋立銑刀，如圖4所示。采用密齒刀具(5~10齒)可以顯著改善加工表面粗糙度，而采用不等齒距立銑刀，可有效提升極限切深。
隨著新型刀具材料的出現(xiàn)和新型刀具的不斷發(fā)展，國內(nèi)外針對鈦合金切削加工刀具方面，做了大量的研究工作。如T. Kitagawa等對硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金切削機理進行了研究，表明硬質(zhì)合金刀具的晶粒大小以及Co元素含量的高低直接影響其切削鈦合金時的性能，并指出YG類硬質(zhì)合金刀具更適合加工鈦合金。J. Vigneau研究了涂層刀具切削鈦合金的切削性能，傳統(tǒng)的涂層多為TiC和TiCN涂層，在切削過程中Ti元素易與工件發(fā)生親和而加快刀具磨損速度。CBN由于具有硬度高，耐熱性好而且有很高的穩(wěn)定性，是高速切削鈦合金的良好刀具，這種刀具價格比較昂貴，國內(nèi)有關(guān)機構(gòu)還沒有進行深入的研究。在刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，G. D. Vasilyuk通過增大刀尖圓弧半徑來增加切削阻尼，從而消除顫振;C.R.LIU在切削過程中通過在線控制刀具前角、后角、刃傾角來抑制顫振;德國學(xué)者V. Sellmeiert對不等齒距立銑刀穩(wěn)定性進行實驗和理論研究等。
國內(nèi)針對鈦合金切削加工刀具也進行了大量研究。在多項國家基礎(chǔ)科研項目的支持下，成飛公司數(shù)控廠與多家國內(nèi)高校合作，在鈦合金高速、高效切削刀具方面，研究了刀具與工件的組成成份之間的元素擴散、化學(xué)反應(yīng)以及相互粘結(jié)和熔解，并建立了切削刀具與鈦合金材料力學(xué)、物理和化學(xué)性能的合理匹配關(guān)系模型和匹配設(shè)計理論;研究了高速切削條件下的刀具磨損與破損機理，以及不同冷卻方式對鈦合金加工切削性能及刀具壽命的影響，建立了鈦合金高速加工刀具壽命模型;基于刀具和工件剛度匹配關(guān)系的多自由度非線性動力學(xué)模型，以無顫振穩(wěn)定切削下的高材料切除率和高加工表面質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，建立刀具剛度與工件剛度的匹配關(guān)系模型;通過對硬質(zhì)合金立銑刀螺旋角及齒間角對高速加工振動的影響研究，發(fā)現(xiàn)采用非對稱結(jié)構(gòu)的變齒間角及變槽深結(jié)構(gòu)，可有效提高鈦合金切削穩(wěn)定性，并自主設(shè)計了適合鈦合金高效加工的整體硬質(zhì)合金刀具。
綜合成飛公司數(shù)控廠在鈦合金高速、高效加工方面的技術(shù)積累與經(jīng)驗總結(jié)，實現(xiàn)鈦合金高速、高效與高精度加工所需突破的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面：鈦合金高速切削加工刀具，減小敏感方向切削力，保證切削加工過程中刀具足夠的剛度，滿足抑制切削顫振要求;鈦合金刀具材料、結(jié)構(gòu)需降低鈦合金高速加工過程中的粘結(jié)、擴散磨損，提高刀具壽命;鈦合金高速加工刀具冷卻需充分，降低切削溫度以提高刀具壽命。
總之，鈦合金等難加工材料的高速、高效與高精度切削加工對刀具材料與結(jié)構(gòu)提出了特殊的要求，發(fā)展新型刀具關(guān)系著切削生產(chǎn)率的進一步提高。發(fā)展新型鈦合金高速、高效切削刀具，在材料方面最主要的性能要求應(yīng)是具有更高的強度、硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性、耐磨性以及抗涂層破裂性能等;在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面應(yīng)增強刀具的減振、抗振性能，通過刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進能保證更充分的冷卻，降低切削加工時的溫度，提高切削速度和刀具壽命。
3 加工表面質(zhì)量控制技術(shù)
鈦合金零件表面質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到其使用壽命和性能，是高速高效切削的重點關(guān)注領(lǐng)域。飛機零件由于設(shè)計結(jié)構(gòu)的要求，常需要多種刀具進行切削加工，刀具之間的接痕使得零件加工表面質(zhì)量不穩(wěn)定，同時由于對切削參數(shù)缺少系統(tǒng)的研究也對零件表面加工質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。針對表面粗糙度、硬度和殘余應(yīng)力的研究是表面質(zhì)量研究的重要內(nèi)容。
表面粗糙度研究方面： 在切削過程中，不僅刀具工件相對運動、刀具幾何參數(shù)對粗糙度具有影響，振動、刀具磨損、切削變形、切削熱等因素也不可忽視。H. Parisn考慮加工系統(tǒng)的動力學(xué)特點，建立了高速銑削表面粗糙度的預(yù)測模型。山東大學(xué)陳建嶺等通過試驗研究了銑削參數(shù)對粗糙度、表層微觀組織的影響。綜合工件與刀具相對運動的幾何特征，建立了鈦合金銑削加工表面粗糙度的理論模型，揭示了其形成機理。
加工硬化研究方面： 在切削加工中，由于材料塑性變形強化和熱軟化的綜合作用，使已加工表面產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。加工硬化對材料疲勞強度和耐磨性具有影響。20世紀50年代，Oxley等學(xué)者就開始了加工硬化研究，在直角切削模型中考慮了加工影響現(xiàn)象。C. R. Li應(yīng)用有限元方法研究了低速加工工件表層硬度分布，建立了以剪切面長度為已加工表面變形參數(shù)的模型。
殘余應(yīng)力研究方面： 切削加工引起的殘余應(yīng)力對零部件變形、應(yīng)力腐蝕和疲勞壽命具有重要影響。N. Fang等研究了刀具幾何形狀對殘余應(yīng)力的影響。日本學(xué)者米谷茂對車削加工工件已加工表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生機理進行了研究。國內(nèi)華南理工大學(xué)在20世紀80~90年代較早地開始了切削加工殘余應(yīng)力產(chǎn)生機理的理論和試驗研究。
此外，山東大學(xué)孫杰建立了基于刀具和工件剛度匹配關(guān)系的多自由度非線性動力學(xué)模型，通過模態(tài)試驗等手段分析了不同條件下刀具和工件的剛度狀況，以及不同剛度條件下刀具和工件各自對銑削穩(wěn)定性的影響，并繪制了銑削穩(wěn)定性極限圖?；诙嘧杂啥葎恿W(xué)模型，分析了刀具和工件模態(tài)耦合對銑削穩(wěn)定性的影響，獲得了典型鈦合金薄壁件高速切削過程不同切削加工工藝、不同工件剩余壁厚等多變量對切削穩(wěn)定性的影響，以無顫振穩(wěn)定切削下的高材料切除率和高加工表面質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，建立刀具剛度與工件剛度的匹配關(guān)系模型。
總之，鈦合金結(jié)構(gòu)件表面質(zhì)量控制技術(shù)涉及機床、刀具、切削參數(shù)、走刀路徑、冷卻潤滑以及裝夾等諸多方面。目前，成飛在進行鈦合金結(jié)構(gòu)件表面質(zhì)量控制技術(shù)研究方面，主要通過采用高性能整體硬質(zhì)合金刀具、控制精加工切削余量、采用物理仿真手段優(yōu)化減小切削力等方法，以保證零件的表面粗糙度、加工硬化以及殘余應(yīng)力等滿足設(shè)計要求。但是，針對鈦合金尤其是Ti6Al4V高速銑削切削加工的表面完整性研究，如在粗糙度、加工硬化和殘余應(yīng)力的形成機理以及它們之間內(nèi)在聯(lián)系方面，還需要深入研究。
4 薄壁件加工及讓刀控制
弱剛性零件加工是復(fù)雜的制造工藝難題，而鈦合金弱剛性零件除了鈦合金材料本身所具有的難加工特性外，其薄壁的結(jié)構(gòu)特點給加工帶來了更大困難，主要表現(xiàn)在：(1)加工尺寸精度難以控制。大量薄壁件的使用，特別是大尺寸薄壁件具有壁薄、腔深的特點，易產(chǎn)生加工變形，零件的尺寸精度難于保證;(2)表面質(zhì)量難以保證。深腔薄壁的結(jié)構(gòu)特點及鈦合金自身材料特點導(dǎo)致鈦合金整體結(jié)構(gòu)件加工過程中極易產(chǎn)生振顫，使表面質(zhì)量惡化;(3)加工效率難以提高。工件剛性弱，易產(chǎn)生顫振等特點導(dǎo)致傳統(tǒng)的鈦合金整體結(jié)構(gòu)件加工只能在低切削用量水平上進行，生產(chǎn)周期長，成本高。
薄壁件加工過程中，由于切削力的作用，刀具和工件均會產(chǎn)生一定的彈性變形。CAD/CAM系統(tǒng)在規(guī)劃刀具軌跡和選取工藝參數(shù)時，基于零件的理想幾何形狀，不考慮諸如工件、刀具變形等因素，導(dǎo)致實際加工表面與理論值存在偏差。因此加工讓刀是薄壁類零件的加工中最為突出的工藝問題，國內(nèi)外科研機構(gòu)及有關(guān)企業(yè)均投入大量精力對薄壁件的讓刀進行預(yù)測與控制。
國外的研究主要集中在，以三維銑削力建模為基礎(chǔ)進行讓刀量的分析與預(yù)測，其中開展研究較早、影響較為廣泛的是Yusuf Altintas，他在建立銑削三維切削力模型的基礎(chǔ)上，借助有限元分析計算方法，研究了整體銑刀加工薄壁件所產(chǎn)生的讓刀及其在工件表面的分布。法國的Plilippe Depince利用刀具與工件的接觸點關(guān)系，對刀具在加工過程中所表現(xiàn)出的彈性變形特征對工件表面幾何加工精度的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)借助接觸點分析獲得的讓刀量比傳統(tǒng)的只考慮刀具讓刀所產(chǎn)生的讓刀量更符合實際情況。
國內(nèi)近年來在薄壁件切削力建模、切削過程穩(wěn)定性、工件表面幾何精度預(yù)測與控制、刀具彈性變形等方面，均開展了較為深入的研究。其中，中航工業(yè)成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司通過整合機床、工裝、刀具及加工工藝成為高性能的切削工藝系統(tǒng)，使鈦合金薄壁件的加工效率在近5年內(nèi)提高了20%，是國內(nèi)極少數(shù)具有大尺寸鈦合金薄壁類結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)能力的航空企業(yè)之一。由國家863“鈦合金薄壁類零件高速切削技術(shù)及應(yīng)用”項目資助，成飛公司與山東大學(xué)合作建立了基于石蠟基復(fù)合材料輔助加固鈦合金薄壁件高效加工的系統(tǒng)工藝方法，形成了包括石蠟基復(fù)合材料配方、石蠟基復(fù)合材料融化、填加、回收等在內(nèi)的整套工藝，開發(fā)研制的新型鈦合金薄壁件石蠟輔助加固裝置，已申請國家發(fā)明專利，能有效解決鈦合金結(jié)構(gòu)件加工難題，實現(xiàn)加工成型，減小鈦合金薄壁件切削加工過程中的振動。試驗數(shù)據(jù)表明：采用石蠟基復(fù)合材料輔助加固鈦合金薄壁件加工振動加速度比不采取加固措施條件下的振動加速度減小86.4%，腹板讓刀變形減小58.6%，有效提高了超小尺寸薄壁結(jié)構(gòu)的加工能力。
盡管國內(nèi)外均針對薄壁件銑削加工的切削力、穩(wěn)定性及讓刀等方面展開了較為深入的研究，但基于單因素的研究成果往往受到其它因素的制約而不能在工程應(yīng)用上發(fā)揮其效能。缺乏綜合考慮工藝系統(tǒng)、加工參數(shù)、加工刀具、工裝夾具的鈦合金薄壁件高效加工系統(tǒng)理論來指導(dǎo)企業(yè)工程實際應(yīng)用。因此，綜合考慮加工工藝系統(tǒng)的鈦合金薄壁件高效加工技術(shù)將是今后的主要研究方向。
5變形控制技術(shù)研究與應(yīng)用
航空結(jié)構(gòu)件加工變形可分為兩大類：結(jié)構(gòu)局部變形和外形輪廓整體變形。結(jié)構(gòu)局部變形主要出現(xiàn)在切削加工過程中，通常表現(xiàn)為讓刀、局部彎曲等，其尺度局限在刀具與工件的接觸區(qū)域附近。整體輪廓變形主要表現(xiàn)為切削加工完成后(如卸除工裝夾具后)的整體彎曲、扭曲以及零件放置過程中的伸長和縮短等，其變形量與結(jié)構(gòu)件外形輪廓尺寸成正比。大尺寸整體結(jié)構(gòu)件加工后往往表現(xiàn)為外形輪廓的整體變形，主要由材料大量去除后內(nèi)應(yīng)力再平衡分布引起，溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮和放置過程中的自然時效也是引起整體輪廓變形的重要因素。
在美國、西歐和日本，對鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工變形控制已積累一定的經(jīng)驗。法國巴黎航空工業(yè)學(xué)院與國家宇航局針對飛行器整體結(jié)構(gòu)件設(shè)計與制造問題，聯(lián)合建立了專門的強度實驗室，深入研究加工變形的工藝控制和安全校正等問題。日本的巖部洋育等針對切削力引起的薄壁零件的“讓刀”變形，提出平行雙主軸加工方案。Nervi Sebastian建立了毛坯初始殘余應(yīng)力引起加工變形的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，指出零件的最終變形情況與毛坯初始應(yīng)力的分布狀態(tài)，零件在毛坯中的位置和形狀密切相關(guān)。
國內(nèi)有關(guān)航空整體結(jié)構(gòu)件的加工變形預(yù)測及控制方面的研究主要集中在南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)和山東大學(xué)等院校。南京航空航天大學(xué)武凱、何寧等采用數(shù)值模擬技術(shù)研究了框體結(jié)構(gòu)零件的腹板、側(cè)壁加工變形規(guī)律及其變形控制方案，提出了大切深法和分布環(huán)切法充分利用薄壁件自身剛性以減小加工變形，提高加工精度。并且考慮到內(nèi)應(yīng)力的釋放導(dǎo)致變形，通過應(yīng)力檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測加工過程中內(nèi)應(yīng)力的變化，據(jù)此制定優(yōu)化的工藝路徑控制工件變形。山東大學(xué)路冬等建立了基于系統(tǒng)剛度變化的工件變形控制模型，采用遺傳算法與有限元方法相結(jié)合的優(yōu)化方法優(yōu)化夾緊點數(shù)目及位置來控制加工過程中工件變形。對加工后仍然存在變形的零件采用變形校正工藝。山東大學(xué)孫杰通過仿真和試驗手段系統(tǒng)地研究了航空結(jié)構(gòu)件安全校正理論，提出了復(fù)雜變形的校正方法，通過機械方法對已變形零件進行校正。
鑒于鈦合金整體結(jié)構(gòu)件變形問題的復(fù)雜性，后續(xù)研究有以下問題需要注意：
(1)鈦合金航空整體結(jié)構(gòu)件的變形是多因素綜合作用的結(jié)果，包括毛坯初始殘余應(yīng)力、工件結(jié)構(gòu)特點、材料特性、工藝過程等，對不同結(jié)構(gòu)零件應(yīng)進行系統(tǒng)分析，找出導(dǎo)致加工變形的關(guān)鍵因素，有針對性地采取控制措施。
(2)大多數(shù)薄壁件變形的研究都是在有限元的基礎(chǔ)上，得到了薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的一些規(guī)律，從而提出相應(yīng)的變形控制工藝措施，缺少系統(tǒng)的理論依據(jù)，并且在分析過程中往往只考慮引起變形的單因素，具有一定的片面性。
6冷卻潤滑技術(shù)研究與應(yīng)用
在鈦合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過程中，刀/工摩擦接觸區(qū)的高溫、高壓、高頻沖擊等對刀具性能提出了嚴峻考驗，刀具的急劇磨損往往是制約切削效率提高的關(guān)鍵因素。面對現(xiàn)代制造技術(shù)在“高效、低能耗、環(huán)保”等方面的高要求，如何選用合理有效的冷卻潤滑方式，以改善刀/工摩擦狀態(tài)和抑制刀具磨損，從而提高加工質(zhì)量和加工效率，同時加工過程環(huán)境友好，是鈦合金航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工冷卻潤滑方式優(yōu)化選擇時必須考慮的重要技術(shù)要素。
解決鈦合金材料的切削問題需要采用耐高溫的高性能刀具，并對切削過程中的刀具進行有效冷卻潤滑。在鈦合金常規(guī)速度切削加工中，一般采用濕式切削，如圖5所示，以達到降低切削區(qū)溫度，進而達到延長刀具使用壽命的目的。但切削液的制造、使用、處理及排放要消耗大量的能源和資源，且對環(huán)境造成污染。若采用乳化液等高速濕式切削鈦合金，由于熱疲勞破損等反而使刀具壽命極低。目前，在鈦合金高速加工中，主要采用常溫或低溫條件下的風(fēng)冷和微量潤滑等冷卻潤滑方式，氣體介質(zhì)主要有空氣、N2、CO2等。此外，采用液氮冷卻高速加工鈦合金，亦可有效延長刀具壽命，但對刀具冷卻裝置要求較高，不易推廣應(yīng)用。
針對鈦合金等難加工材料冷卻潤滑方式的研究，國內(nèi)外諸多刀具生產(chǎn)廠家和高等院校均開展了大量的試驗研究工作。在德國，特別是諸如達姆施塔特工業(yè)大學(xué)、亞琛工業(yè)大學(xué)、布倫瑞克工業(yè)大學(xué)以及多特蒙德工業(yè)大學(xué)等院校，在鈦合金切削機理、有限元模型分析、仿真、切削試驗和采用不同冷卻方式等方面均開展了一系列研究，其中，亞琛工業(yè)大學(xué)的機床實驗室(WZL)還與伊斯卡(Iscar)、肯納金屬(Kennametal)、山高刀具(Seco Tools)和山特維克(Sandvik)等刀具廠，密切合作開展了包括高壓冷卻等技術(shù)的研究。從Iscar公司提供的資料可以了解到在不同冷卻潤滑壓力下車削鈦合金時切屑成形的情況。在采用2MPa的壓力進行大流量外冷卻時，產(chǎn)生成長條纏繞形的切屑;當(dāng)采用8MPa壓力的內(nèi)冷卻時，切屑在高壓沖擊下被折斷成小的弧形切屑;如果采用30MPa超高壓進行內(nèi)冷卻，這時就變成了針狀形切屑。從上述實例不難看出，通過高壓冷卻可以控制切屑的成形，提高切削過程的可靠性，并提高切削用量。
我國近年來在鈦合金冷卻潤滑領(lǐng)域的理論研究以及應(yīng)用上取得了長足進步。已有研究表明，在鈦合金高速切削過程中，采用普通切削液會加劇鈦合金材料在刀具表面粘結(jié)層的剝落頻率，加重刀具涂層的粘結(jié)剝離，因而普通切削液有加重復(fù)合涂層刀具磨損的趨勢，而傳統(tǒng)切削液在鈦合金加工過程中，還會造成銑削刀具空行程驟冷，從而加劇刀具熱應(yīng)力梯度，在刀具表面形成熱裂紋加劇刀具磨損破損，故而在使用金剛石刀具切削鈦合金零件時，可使用一種新型的以二氧化碳、水及植物油霧化后的霧狀混合物作為冷卻介質(zhì)的加工技術(shù)，達到冷卻、潤滑及保護金剛石刀具的目的。此外，采用低溫氮氣射流結(jié)合微量潤滑高速銑削鈦合金時能夠較為有效地降低銑削力、抑制刀具磨損，在低溫氮氣射流條件下，只要熱裂紋的形成與擴展未引起刀具的崩刃及刀面的剝落，進一步降低低溫氮氣的溫度將提高刀具的使用壽命。
近年來，微量潤滑切削以其良好的冷卻、潤滑、排屑以及低污染等綜合性能而受到了工業(yè)界的普遍關(guān)注，是高速、高性能切削加工采用的主要冷卻潤滑方式之一。目前，國內(nèi)工業(yè)企業(yè)和科研院所已采購了大量的可配備微量潤滑功能的高速切削機床，微量潤滑或低溫微量潤滑切削隨著現(xiàn)代高速切削機床的普遍使用而得到了一定程度的推廣應(yīng)用。成飛公司的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，相對于濕式切削，采用低溫微量潤滑高速切削鈦合金等難加工材料，刀具壽命提高30%以上。
目前，國內(nèi)鈦合金高效切削專用冷卻介質(zhì)的研究與應(yīng)用還與國外存在較大差距，在生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用的國產(chǎn)冷卻介質(zhì)相對缺乏。在航空制造企業(yè)，鈦合金冷卻潤滑介質(zhì)主要采用進口產(chǎn)品(如辛辛那提米拉克龍、嘉實多等)，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且對我國航空制造企業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展存在一定的隱患，急需在鈦合金高效切削專用冷卻潤滑介質(zhì)領(lǐng)域進行深入系統(tǒng)的研究，充分利用高效、低污染、可持續(xù)發(fā)展的新型冷卻潤滑介質(zhì)，加強產(chǎn)學(xué)研合作及科研成果的轉(zhuǎn)化，爭取早日實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)冷卻潤滑介質(zhì)的國產(chǎn)化。此外，切削加工現(xiàn)場環(huán)境質(zhì)量安全與切削介質(zhì)的環(huán)境污染問題一直是困擾機械制造業(yè)的難題之一。如何在推廣應(yīng)用高性能冷卻潤滑技術(shù)的同時，有效監(jiān)測和控制切削現(xiàn)場的空氣質(zhì)量，使其對人體健康的影響降低至安全可靠的標(biāo)準之下，同時又能有效地提高金屬切削加工質(zhì)量與切削加工效率，則是我國工業(yè)界和機械制造技術(shù)領(lǐng)域所必須重點關(guān)注的問題。
結(jié)束語
我國航空制造企業(yè)近年來通過加強產(chǎn)學(xué)研合作，以及引進吸收國外先進制造技術(shù)，對鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工工藝方法進行了系統(tǒng)研究，大幅度提高了鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的加工效率與加工質(zhì)量。但我國大型飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工仍處于起步階段，加工效率及質(zhì)量都還明顯落后于發(fā)達國家， 已成為制約整個飛機研制和生產(chǎn)的“瓶頸”之一，急需通過更為深入的產(chǎn)學(xué)研合作提高科研水平與生產(chǎn)效率，加大科研成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力的力度。
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