基于大型航空器的钛合金高速铣削技术

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1、基于大型航空器的钛合金高速铣削技术　　【摘要】钛合金广泛的应用至造船、医疗、化工、航天等多个领域中，得益于航空航天技术的飞速发展，钛工业在近50年来得到了飞速的发展。由于钛合金强度高、耐热性和耐蚀性较一般合金优良，因此，在大型航空器制造领域，钛合金主要用在压气机盘、涡轮盘、叶片以及其他大型起落架、支撑架等部位。其重要性和安全性不言而喻。【关键词】钛合金高速铣削航空器以美国为首的大型航空器制造大国，近些年在战斗机和民用飞机上使用铝合金的比率大大降低，而钛合金和复合材料的使用量不断攀升。钛合金具有良好的抗腐蚀性，比强度较高

2、，在使用钛合金的过程中表面易发生破损甚至产生更为严重的缺陷，因此如何提高钛合金零件的抗疲劳能力，维持零件表面的完整程度是现阶段航空企业和科研部门研究的重点。1钛合金的铣削加工特点1.1钛合金的主要物理力学性能5从物理力学的角度看，钛合金拥有如下几个性能。一是熔点较高；二是导热系数低；三是比热小；四是线破胀系数低；五是密度小；六是强度高；七是硬度高；八是弹性模量低，约为刚和不锈钢的一半；九是高温和低温性能优良。在低温情况下，钛合金在强度和硬度上都有所提升。钛合金的有效工作环境温度最高可达550-600℃；最后，钛合金拥有

3、优良的耐腐蚀性。在含有大量氧的实验环境中，钛合金能够生成坚固的氧化物保护膜，提高了其耐腐蚀性。1.2钛合金的铣削加工特性首先，由于钛合金的强度和硬度较其他合金材料相对较高，因此加工过程中使用的道具和模具需要相应的具有高强度和硬度，于此同时还要适当提高加工设备的使用功率。其次，钛合金在铣削加工的过程中会产生很高的热量，造成刀具温度的快速提升。这是由于钛合金摩擦系数大、导热系数低，同时刀具与切屑接触的面积小，产生的热量集中在小范围的区域内不宜散热。再次，钛合金在铣削加工时，由于钛合金弹性模量滴，因此工件的回弹加剧了刀具的磨

4、损和变形。另外，铣削钛合金过程中，会产生大量的热量，快速提升了钛合金零件表面的温度，钛合金高温时化学活动较为活跃，与氢、氧等气体都能发生化学反应，产生的硬化层进一步加剧了刀具的磨损程度。最后，在钛合金铣削加工中，由于温度较高，钛合金元件、刀具、工件材料受到高温的作用容易相互之间产生粘连的磨损。2高速切削加工简介2.1高速铣削加工的定义520世纪二三十年代，德国Carl.J.Salomon首次提出高速铣削加工的概念。通过大量的铣削实验，他得出，温度会随着铣削加工的速度而提升，直到一个峰值，此时的加工速度称为临界速度。当超

5、过临界速度后，温度反而会随之下降。因此找到临界速度，并进一步提升使之达到超高速区域进行加工，一方面大大提升了加工效率，另一方面也能够降低高速加工过热隐藏的风险。对于如何定义高速铣削，目前学术界以及航空器生产领域都没有一个统一的结论。因为不同的工件材料可以承受的高速铣削的速度范围并不一致，因此难以简单的确定一个标准作为高速铣削具体速度的定义，目前，人们仅根据切削线速度、主轴转速、机床DN值来划分不同工件材料的告诉铣削的合理速度范围。现阶段大型航空器上较常采用的几种工件材料的切削速度范围如图1可视。2.2高速切削加工的特点

6、5高速铣削技术之所以能够被广泛的应用至大型航空器的制造中，离不开其加工过程中的巨大优势，如要表现在如下几个方面。一是随着切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高。这样，单位时间内的材料切除率大幅度增加，可达到常规切削的3-6倍，甚至更高。同时机床的空行程速度也有很大的提高，减少了空行程的时间，从而极大的提高了机.床的生产率。二是在切削过程中，会产生大量的切屑，而这些切屑能够带走一部分因切削产生的热量。在高速铣削加工中，由于速度较快，切屑能够带走85%以上的热量，一定程度上降低了导入工件中的热量，抑制了工件温度的快速提升

7、。从一个方面减少了工件因过热而产生变形的概率，提高了加工精度。三是随着切削速度的提高，切削力降低。在高速切削范围内，切削力可比常规切削降低30%以上。所以，高速切削有利于刚性较差的零件和薄壁零件的加工，可以进一步提高其加工精度。四是在钛合金加工中由于机器、刀具、元件相互产生的振动降低了工件的精准度。使用高速铣削技术后，由于其工作的频率远远超过的机床的固有频率，因此大大降低了机床的振动幅度，提高了加工的稳定性。对提高加工工件表面的平滑度，为下一步的精加工奠定了良好的基础。2.3存在的问题目前高速切削已经广泛的应用于大型航

8、空器制造上，对高速切削各方面的内容已经进行了很多研究，取得了较大的进展，但是在高速切削原理，以及高速切削过程中的切削温度、切削力等现象的认识还有很多不清楚的地方。特别是对钛合金高速切削的研究，由于起步相对较晚和材料成本等原因，研究还不够充分，限制了钛合金零件加工中生产率的提高和加工质量的改善。与常规切削加工相比，高速切削加工在切削