鈦合金加工機(jī)床

張 曙 張炳生 譚為民

1 鈦合金及其在工業(yè)中的應(yīng)用

鈦具有強(qiáng)度高、重量輕和優(yōu)異的耐腐蝕性，解決了很多的工程難題。鈦比鋼的強(qiáng)度高30%以上，但重量輕近40%。鈦比鋁重一倍，但強(qiáng)度高 60%。鈦合金是以鈦為基體加入鋁、錳、鐵、鉬和其他金屬的合金，以增加鈦的強(qiáng)度和耐高溫性能，分為α-鈦合金、β-鈦合金、α β-鈦合金和較新的鈦鋁合金，其中αβ-鈦合金（Ti6Al4V）應(yīng)用最為廣泛。鈦合金的高耐蝕性也是一種寶貴的特點(diǎn)，當(dāng)暴露于大氣中時(shí)，鈦能形成抗拒許多腐蝕性物料的氧化膜。

鈦合金憑借其優(yōu)越的屬性，特別是強(qiáng)度重量比很高，在新興的航空航天工業(yè)中獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。例如，機(jī)身的結(jié)構(gòu)部件、起落架、液壓系統(tǒng)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件等。近年來(lái)在新型飛機(jī)上，鈦合金材料所占的比例已經(jīng)由5%提高到14%以上?；鸺?dǎo)彈和飛船的鈦合金零部件所占比例更高。

隨著鈦合金的成本降低，使其工業(yè)應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到造船工業(yè)，例如潛艇，船舶螺旋槳、索具和其他需要高耐腐蝕性的零部件。此外，由于鈦與人體組織的親和性，正在越來(lái)越多地用于醫(yī)學(xué)工程，成為人體植入物和骨骼修復(fù)的主要材料。

在汽車工業(yè)，近年來(lái)開始使用鈦合金制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣門、連桿、車輪輪轂螺釘、排氣系統(tǒng)和懸掛彈簧。鈦合金組件可在增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的同時(shí)提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并解決噪聲和振動(dòng)的問(wèn)題。鈦合金零部件降低材料重量約 50%，并大幅度提高其使用壽命。鈦懸掛彈簧不僅能明顯降低重量，而且允許增加有效載荷和更大的乘用空間。

雖然鈦合金一直是被認(rèn)為昂貴的材料，但隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展及工業(yè)市場(chǎng)的消費(fèi)量增加，將使其成本大幅降低，應(yīng)用前景極其廣闊。

2 鈦合金加工的特點(diǎn)

按照傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，鈦合金被視為難加工材料，加工費(fèi)時(shí)，成本高昂，令人望而生畏。但是，隨著鈦合金應(yīng)用的日漸普及，人們對(duì)鈦合金加工機(jī)理的認(rèn)識(shí)逐步深入，針對(duì)鈦合金加工的新刀具和新機(jī)床的出現(xiàn)，以及加工經(jīng)驗(yàn)的積累，現(xiàn)在已經(jīng)具備了堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)和裝備條件?？梢哉J(rèn)為，鈦合金的加工已經(jīng)不比加工高合金不銹鋼難。

過(guò)去，為什么我們認(rèn)為鈦合金是一種難加工材料？因?yàn)閷?duì)其加工機(jī)理和現(xiàn)象缺乏深刻的認(rèn)識(shí)。

鈦合金加工時(shí)的切削力只是略大于同等硬度的鋼，但是加工鈦合金的物理現(xiàn)象比加工鋼要復(fù)雜得多，從而使鈦合金加工面臨巨大的困難。

大多數(shù)的鈦合金的熱導(dǎo)率很低，只有鋼的1/7，鋁的1/16。因此，在切削鈦合金過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不會(huì)迅速傳遞給工件或被切屑帶走，而集聚在切削區(qū)域，所產(chǎn)生的溫度可高達(dá)1 000°C以上，使刀具的刃口迅速磨損、崩裂和生成切屑瘤，快速出現(xiàn)磨損的刀刃繼續(xù)使用又使切削區(qū)域產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)一步縮短刀具的壽命。

切削過(guò)程中產(chǎn)生的高溫同時(shí)破壞了鈦合金零件的表面結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致零件幾何精度下降和出現(xiàn)嚴(yán)重降低其疲勞強(qiáng)度的加工硬化現(xiàn)象。

鈦合金的彈性對(duì)零件性能來(lái)說(shuō)可能是有益的。但是在切削過(guò)程中，工件的彈性變形是產(chǎn)生振動(dòng)的重要原因。切削壓力使“彈性”的工件離開刀具和反彈，從而使刀具與工件之間摩擦現(xiàn)象大于切削作用。摩擦過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生熱，加重了鈦合金導(dǎo)熱性不良問(wèn)題。

加工薄壁或環(huán)形等易變形零件時(shí)，這個(gè)問(wèn)題就更加嚴(yán)重，將鈦合金薄壁零件加工到預(yù)期的尺寸精度不是一件容易的事。 因?yàn)殡S著工件材料被刀具推開時(shí)，薄壁的局部變形已經(jīng)超出彈性范圍而產(chǎn)生塑性變形，切削點(diǎn)的材料強(qiáng)度和硬度明顯增加。此時(shí)，按照原先確定的切削速度加工就變得過(guò)高，進(jìn)一步導(dǎo)致刀具急劇磨損。

熱是鈦合金難加工的“罪魁禍?zhǔn)住?，容易產(chǎn)生顫振是鈦合金加工效率低下的根源！筆者曾對(duì)鈦合金加工的工藝和刀具撰文，本文不再贅述，現(xiàn)主要從機(jī)床設(shè)計(jì)的角度來(lái)闡述如何解決這些難題。

3 鈦合金加工機(jī)床

世界各國(guó)著名的機(jī)床制造商，都推出不同型號(hào)的鈦合金加工機(jī)床，如日本的牧野（Makino）、意大利的Tarkus、韓國(guó)的斗山（Dooshan）、美國(guó)的MAG公司等。盡管各自采取的措施不盡相同，但其共同特點(diǎn)是針對(duì)加工鈦合金零件時(shí)切削力較大以及銑削過(guò)程的不連續(xù)性，聚焦于提高機(jī)床的剛性和阻尼，將銑削加工的穩(wěn)定區(qū)W葉瓣曲線上移，以增加加工過(guò)程的穩(wěn)定區(qū)，從而提高金屬切除率，如圖1所示。

從圖中可見，剛度低和阻尼小的機(jī)床切削穩(wěn)定區(qū)有限。操作者往往為了保證生產(chǎn)效率，只能降低背吃刀量（吃刀深度）和提高主軸轉(zhuǎn)速，結(jié)果導(dǎo)致刀具壽命大幅度降低。剛度高和阻尼大的機(jī)床能夠提供更大范圍的切削穩(wěn)定區(qū)。

日本牧野公司為了適應(yīng)鈦合金飛機(jī)零件加工市場(chǎng)的需求，在美國(guó)設(shè)立了鈦合金加工研發(fā)中心（www.TiMachining.com），開發(fā)了T系列5軸臥式加工中心，其核心技術(shù)稱為ADVANTiGE，意即“鈦加工的優(yōu)勢(shì)”，可使鈦合金的加工效率提高4倍，刀具壽命增加4倍。ADVANTiGE由以下4個(gè)部分組成：

（1）高剛度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)；

（2）阻尼大的結(jié)合面和主動(dòng)減振系統(tǒng)；

（3）大功率和高扭矩的主軸；

（4）高壓大流量冷卻系統(tǒng)。

上述4種技術(shù)的集成，克服了傳統(tǒng)鈦合金加工時(shí)金屬切除率低、刀具壽命短、容易出現(xiàn)顫振的問(wèn)題。

3.1 機(jī)床的剛度和阻尼

T系列臥式加工中心有兩種型號(hào)：T4和T2。T4型臥式加工中心的X、Y和Z軸行程為4 200 mm、2 000 mm和1 000 mm，最大工件重量為5 000 kg，適用于加工飛機(jī)的鈦合金大型結(jié)構(gòu)件。T2型臥式加工中心的X軸行程比T4 減小50%，除具有托板交換系統(tǒng)外，其他基本保持不變，其外觀和基本規(guī)格如圖2所示。

高剛度是T系列機(jī)床設(shè)計(jì)遵循的第一原則，T系列臥式加工中心采用大質(zhì)量的床身，1.7 m寬的立柱。310 mm寬、60 mm厚的矩形導(dǎo)軌系統(tǒng)和大直徑的滾珠絲杠，從而保證機(jī)床具有很高的剛度和較大的阻尼，導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖3所示。

3.2 主動(dòng)減振（阻尼）系統(tǒng)

ADVANTiGE 主動(dòng)減振（阻尼）系統(tǒng)借助低頻振動(dòng)傳感器對(duì)摩擦力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保持5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的導(dǎo)軌系統(tǒng)載荷（切削力＋工件重量）恒定，從而提高了機(jī)床的阻尼性能，避免了機(jī)床結(jié)構(gòu)顫振和刀具損壞，從而獲得更高的金屬切除率和減少刀具磨損。

傳統(tǒng)的導(dǎo)軌系統(tǒng)當(dāng)載荷增加時(shí)，摩擦力不僅隨之增大，且由于銑削切削力的變化造成摩擦力的急劇波動(dòng)，極易導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)發(fā)生顫振。借助主動(dòng)減振（阻尼）系統(tǒng)可以保持摩擦力基本不變，其工作原理如圖4所示。

從圖中可見，壓縮空氣通過(guò)伺服閥進(jìn)入導(dǎo)軌系統(tǒng)的氣腔內(nèi)，形成氣墊，使工作臺(tái)處于半浮起的狀態(tài)，由于氣壓是可控的，恰好抵消載荷的增加或變化，使導(dǎo)軌系統(tǒng)的摩擦力保持恒定。接通或斷開主動(dòng)減振（阻尼）系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)軌系統(tǒng)摩擦力的影響如圖5所示。

3.3 大功率、大扭矩的智能電主軸

T系列機(jī)床采用的HSK A125電主軸是牧野公司到目前為止最強(qiáng)大的電主軸，緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合最新的大扭矩異步電動(dòng)機(jī)和雙變頻傳動(dòng)技術(shù)保證了鈦合金加工所需的大功率、高轉(zhuǎn)矩特性。電主軸的外觀和技術(shù)性能如圖6所示。

HSK A125主軸的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率高達(dá)100 kW，最大輸出轉(zhuǎn)矩1 000 N·m，最高轉(zhuǎn)速4 000 r/min。前后軸承皆采用大直徑的角接觸球軸承，可承受高達(dá)20 kN的徑向切削力和11 kN的軸向切削力。

該主軸采用自適應(yīng)控制技術(shù)，借助位移傳感器測(cè)量由過(guò)大切削力、慣性力和熱變形所造成的主軸軸向位移變形。此變形信息實(shí)時(shí)反饋到數(shù)控系統(tǒng)Professional 5，自動(dòng)調(diào)整切削參數(shù)以適應(yīng)當(dāng)前的加工條件，從而保護(hù)了主軸和刀具；實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主軸能夠自主檢測(cè)、思考、決策和反應(yīng)以及優(yōu)化切削狀態(tài)的終極目標(biāo)。

A125電主軸安裝在擺叉式銑頭中央，擺叉式銑頭的A軸旋轉(zhuǎn)范圍為±110°，C軸可360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖7所示。

從圖中可見，主軸的A軸的回轉(zhuǎn)由2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，分別通過(guò)左右兩側(cè)的無(wú)間隙斜齒輪帶動(dòng)主軸殼體耳軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿足大進(jìn)給力的需要。

3.4 凸輪驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)

T2加工中心可配置回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。為了保證回轉(zhuǎn)精度，提供較大的進(jìn)給力，采用了凸輪驅(qū)動(dòng)滾柱輪的無(wú)間隙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖8所示。

從圖中可見，伺服電動(dòng)機(jī)連接弧面的凸輪桿，通過(guò)其螺旋槽與滾柱輪上的滾柱嚙合，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的滾柱輪旋轉(zhuǎn)。滾柱內(nèi)有滾針軸承，使其外圈可繞內(nèi)圓柱自轉(zhuǎn)，因此整個(gè)傳動(dòng)副是在滾動(dòng)摩擦狀態(tài)下工作，承載能力大，傳動(dòng)效率高?？刂茲L柱的外圓尺寸和凸輪桿與滾柱輪的中心距，即可對(duì)傳動(dòng)副施加一定的預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)零背隙傳動(dòng)，保證了機(jī)床5軸加工時(shí)的精度。

3.5 加工空間的溫度控制

解決鈦合金加工發(fā)熱難題措施之一是對(duì)整個(gè)加工區(qū)域進(jìn)行溫度控制。T系列機(jī)床是封閉的，分隔成加工空間和機(jī)床結(jié)構(gòu)區(qū)。機(jī)床溫度控制器（空調(diào)）將冷空氣分別輸送到這兩個(gè)區(qū)域。一方面使加工空間的溫度盡量保持恒定，另一方面利用機(jī)床立柱前后溫差的熱管效應(yīng)，使立柱內(nèi)部的冷卻液不斷循環(huán)，使熱場(chǎng)均勻化，減小熱變形，其原理如圖9所示。

3.6 高壓大流量的冷卻系統(tǒng)

盡可能保持工件處于常溫狀態(tài)和盡快將高溫切屑移除是鈦合金加工的關(guān)鍵。T系列機(jī)床在冷卻液提供方面采用高壓大流量冷卻系統(tǒng)向切削區(qū)域直接提供大量的高壓冷卻液，使切屑盡快地從多刃刀具的有限空間排出。壓力和流量可以借助數(shù)控系統(tǒng)的M指令調(diào)節(jié)。冷卻液的供給有3種方式：主軸上部花灑、主軸前端四周噴嘴和通過(guò)主軸內(nèi)孔。三管齊下以提高其冷卻效果，如圖10所示。

通過(guò)主軸內(nèi)孔供給的冷卻液壓力達(dá)7 MPa，流量達(dá)200 L/min，以便直接將冷卻液噴射到切削刀刃上。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

新材料的出現(xiàn)必將推動(dòng)制造技術(shù)的變革，加工不同材料的機(jī)床應(yīng)該具有各自的特點(diǎn)，才能不斷提高生產(chǎn)效率，對(duì)鈦合金等難加工材料更是如此。

低頻動(dòng)態(tài)剛度高的機(jī)床結(jié)構(gòu)以及采用自適應(yīng)技術(shù)的機(jī)床不斷出現(xiàn)，使加工鈦合金的“振動(dòng)”難題也將迎刃而解。

新的鈦合金不斷出現(xiàn)。例如，ATI公司的425合金是α β-鈦合金，其板材厚度可精確控制，表面粗糙度值很小。這些性能優(yōu)勢(shì)提供飛機(jī)設(shè)計(jì)師減重節(jié)能的新機(jī)會(huì)，但是加工難度加大，又給機(jī)床設(shè)計(jì)師提出新的挑戰(zhàn)。

新的刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，正在克服鈦合金加工過(guò)程中的“熱”難點(diǎn)，加工鈦合金的難度明顯減少。

新的加工工藝。鈦合金的加工工藝不只局限于切削加工，壓力加工、焊接、鑄造以及特種加工方法正在獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。