钛合金高效高速数控加工机床应用现状与最新发展

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1、钛合金高效高速数控加工机床应用现状与最新发展钛合金材由于其高比强度等独特优点被航宇工业广泛作为飞行器的结构用材。本文较详细论述大型钛合金高效高速加工技术及其数控加工机床的发展应用现状和新趋势。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

2、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0.22~0.35，属很难切削加工之金属材，其高速切削速度范围（100~1,200m/min）远低于铝合金材（2

3、,500~7,500m/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4.42g/cm

4、3，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

5、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20cm3/min金属切除率切削加工钛合金材时将会产生4,445N(1,000lbs)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

6、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1,100~1,200℃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15.24W/mK；钛合金Ti-6-4为7.56W/mK；AISI4340合金钢为44.6W/mK；45号钢为50.2W/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

7、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∼0.15mm，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

8、，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