數(shù)控加工技術(shù)在鈦合金材料加工中的應(yīng)用研究

李曉娜

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

鈦合金在工程機(jī)械等諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量小、抗腐蝕性和力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，鈦合金材料的加工，特別是銑削加工一直是人們重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

1 鈦合金材料的性能特點(diǎn)及具體應(yīng)用

鈦合金材料較為突出的性能特點(diǎn)是本身的強(qiáng)度非常高，能夠承受1500 MPa 的壓力，同時(shí)密度只有4.5 g/cm3。其次是鈦合金材料在300～500 ℃具有良好的熱穩(wěn)定性，對(duì)比常見(jiàn)的鋁合金材料，其強(qiáng)度大于10 倍甚至更多。再次是鈦合金材料具有較強(qiáng)的抗蝕性，長(zhǎng)時(shí)間處于空氣濕度較大和堿性介質(zhì)中，其抗蝕性、酸蝕以及抵抗應(yīng)力腐蝕等方面比不銹鋼材料更加優(yōu)異。鈦合金的化學(xué)活性較為突出，和空氣中的O2、CO2和H 等物質(zhì)元素接觸后，可以形成強(qiáng)大的化學(xué)反應(yīng)，加溫到600 ℃時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出劇烈的吸氧特性，生成一種硬度非常高的硬化層。鈦的導(dǎo)熱性較差，其導(dǎo)熱系數(shù)也是比較低的，只有鐵的1/5，鎳的1/4。鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)則更低，相比純鈦的導(dǎo)熱系數(shù)只達(dá)到了其1/2的水平。

2 數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用于鈦合金材料加工的具體實(shí)例

2.1 光學(xué)鏡筒零件介紹及加工內(nèi)容

在利用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行鈦合金光學(xué)鏡筒的加工過(guò)程中，由于此項(xiàng)加工作業(yè)對(duì)精度要求比較高，必須要做好相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)的控制工作，還要保證良好的密封性和強(qiáng)度。加工使用的是鈦合金TC4 材料，這種材料屬于（α+β）型鈦合金，綜合力學(xué)性能比較優(yōu)異。在實(shí)際操作過(guò)程中，利用數(shù)控銑削外形圓弧，下端面減重腔、右端面減重腔及密封槽、外形斜筋及減重腔。與此同時(shí)，為確保設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)與加工進(jìn)準(zhǔn)之間的良好統(tǒng)一性要求，應(yīng)在圓柱和右端面中心點(diǎn)位置設(shè)置加工基準(zhǔn)。

2.2 鈦合金的切削加工難點(diǎn)

（1）由于其具有的彈性模量較低，有著較為明顯的彈性變形情況，和后刀面位置距離較近處的工件表面存在著非常大的回彈量，進(jìn)而在后刀面和加工表面這兩處地方，都有著較大的接觸范圍，嚴(yán)重影響數(shù)控刀具使用壽命。

（2）由于鈦合金材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)較低，在進(jìn)行切削加工時(shí)需要設(shè)置很高的溫度。切削位置和刀具的接觸具有特殊性，造成刀具附近范圍內(nèi)聚集很多的熱量，并且這些熱量無(wú)法快速散發(fā)出去。

（3）鈦合金材料的硬度非常高，塑性比較低，增大剪切角時(shí)，前刀面和切削位置要避免長(zhǎng)時(shí)間接觸，避免因前刀面位置產(chǎn)生較大切削力而造成嚴(yán)重的刀具崩刃現(xiàn)象。

（4）在加工過(guò)程中，鈦合金材料表面會(huì)出現(xiàn)顯著的硬化現(xiàn)象。由于鈦的活性非常高，可以與空氣中的許多元素和物質(zhì)產(chǎn)生一定的化學(xué)反應(yīng)，增加表層部位脆性和硬度。特別是在高溫環(huán)境中進(jìn)行加工作業(yè)，會(huì)出現(xiàn)氧化硬層，造成局部應(yīng)力的增大和材料疲勞強(qiáng)度的明顯降低，嚴(yán)重破壞和影響刀具結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（5）鈦合金的切削加工作業(yè)存在嚴(yán)重的粘黏現(xiàn)象，刀具在對(duì)材料表面進(jìn)行切削和走刀過(guò)程中，出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，影響加工質(zhì)量和刀具壽命。

（6）對(duì)鈦合金材料的斜面傾角進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)，存在較為突出的過(guò)切問(wèn)題。結(jié)合使用高精加工措施后，型腔中的一些位置存在著不光滑的問(wèn)題。如果沿著型腔輪廓存在一條刀路，則會(huì)順利解決這個(gè)問(wèn)題。

（7）鈦材料加工的密封槽是一項(xiàng)難點(diǎn)內(nèi)容。銑削操作中，在切削厚度方面，其每個(gè)刀齒的尺寸較小，受到切削厚度較薄的限制，切削時(shí)需要對(duì)刀具進(jìn)行一定刃磨，才能展開(kāi)切削加工作業(yè)。在徑向角度，刀具受到切削力的作用，會(huì)大大增加刀具彎曲的概率，進(jìn)而降低其使用壽面和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)在此部位出現(xiàn)啃刀情況，會(huì)影響密封槽的密封性能，最終造成零部件徹底報(bào)廢。

3 針對(duì)鈦合金材料加工問(wèn)題的相關(guān)解決措施

3.1 優(yōu)化切削參數(shù)

在加工切削過(guò)程中，適當(dāng)調(diào)整降低切削速度，能夠有效提高加工質(zhì)量。較小的進(jìn)給量能夠顯著提高表面粗糙度，進(jìn)而控制彈性變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，但是受到鈦合金材料的氧化硬層問(wèn)題的影響，如果進(jìn)給量不大，刀具會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處在硬化層切削加工中，進(jìn)而加劇刀具的磨損程度。采用增大背吃刀量，優(yōu)化切削參數(shù)信息的方式，避免磨損和破壞刀具，延長(zhǎng)刀刃有效工作時(shí)間。

3.2 切削液的配制

在切削液體的選擇方面，人們可以使用不含氯的水溶乳化液，避免對(duì)材料加工表面位置造成腐蝕。在進(jìn)行粗加工時(shí)，利用切削液充分吸收并排放出產(chǎn)生的熱量，增強(qiáng)切削刃的整體強(qiáng)度。在保證冷卻效果的同時(shí)也能降低磨損程度，根據(jù)合理比例配制成5%的溶液。在精加工過(guò)程中，借助切削液，能夠提高表面加工質(zhì)量，對(duì)前刀面和摩擦角形成有力控制，通過(guò)增大剪切角的方式來(lái)降低銑削力，起到顯著潤(rùn)滑效果，根據(jù)比例配制成10%的濃度。

3.3 密封槽的加工

在鈦合金材料的密封槽加工過(guò)程中，可以利用鉆削方法來(lái)對(duì)材料進(jìn)行去除。在實(shí)際操作中，刀具按照Z(yǔ) 軸固定方向展開(kāi)進(jìn)給移動(dòng)，在XY 軸之間做間隙運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料大量快速去除的目的。較小的側(cè)向力能夠有效避免材料的變形問(wèn)題。后刀面和加工表面存在較小的摩擦作用，提高了切削速度，能夠提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，在保證刀具能夠正常使用的同時(shí)還能減少成本和資源的投入。

4 鈦合金加工刀具技術(shù)研究

針對(duì)鈦合金材料不易加工的問(wèn)題，刀具技術(shù)是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一，刀具的質(zhì)量和使用性能決定加工材料的質(zhì)量與加工效率。

4.1 刀具鈍化技術(shù)

鈦合金材料的加工需要非常鋒利的切削刃，過(guò)度鋒利導(dǎo)致刀刃發(fā)生崩刃。針對(duì)這一問(wèn)題，人們?cè)趯?duì)此類(lèi)刀具的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，一般都采用刀具鈍化技術(shù)，保護(hù)切削刃。國(guó)外有關(guān)國(guó)家對(duì)刀具鈍化技術(shù)的研究比較深入，借助有限元仿真技術(shù)，綜合分析刀具刃口半徑給切削加工造成的影響。例如，刀具刃口半徑會(huì)對(duì)高速鋼銑刀片的抗磨損能力造成何種程度的影響等。國(guó)內(nèi)一些機(jī)構(gòu)和人員在此方面也有試驗(yàn)和研究，但是研究工作主要集中在刀片刃口的鈍化方面。對(duì)于整體刀具的刃口鈍化功能的技術(shù)和相關(guān)參數(shù)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面的工作，還沒(méi)有形成系統(tǒng)的研究和發(fā)展內(nèi)容。

4.2 新型結(jié)構(gòu)刀具的應(yīng)用

針對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)做一定的創(chuàng)新和優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)刀具切削性能穩(wěn)定提升的有效方法。利用先進(jìn)的刀具結(jié)構(gòu)，能夠充分發(fā)揮刀具材料和涂層的巨大作用，顯著增強(qiáng)刀具的切削性能。特別是隨著數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)的發(fā)展，刀具的重要性愈加明顯。國(guó)內(nèi)外許多刀具設(shè)計(jì)制造機(jī)構(gòu)和廠(chǎng)商加強(qiáng)了對(duì)刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的力度，誕生了許多用于鈦合金材料加工的刀具。例如，對(duì)于鈦合金材料構(gòu)件具有的深腔薄壁等特征，日本黛杰工業(yè)株式會(huì)社設(shè)計(jì)和發(fā)明出具有可換功能的模頭系列刀具，刀具包含高性能可換刀頭和超強(qiáng)硬桿，在進(jìn)行懸長(zhǎng)較大的加工作業(yè)中，具有顯著抑制振動(dòng)的功能和使用效果。對(duì)比傳統(tǒng)鋼制刀桿，其對(duì)材料加工的整體效率提高了將近3 個(gè)等級(jí)，有效節(jié)省了加工時(shí)間。世界著名的金屬切削刀具及切削技術(shù)的供應(yīng)商——以色列伊斯卡公司，設(shè)計(jì)制造的精加工波形刃立銑刀將粗銑刀和精銑刀有效整合到一起，構(gòu)成一把刀，具有2 個(gè)螺旋波形粗加工刃和2 個(gè)螺旋光滑精加工刃。利用粗加工的切削數(shù)據(jù)能夠做到精加工的效果，其表面質(zhì)量也符合精加工的標(biāo)準(zhǔn)。利用一把銑刀就能實(shí)現(xiàn)快速切除功能，并且可以及時(shí)排出這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的長(zhǎng)短2 種混合切屑，可以在鈦合金材料整體構(gòu)件的型腔銑削加工作業(yè)中得到大范圍推廣和應(yīng)用。刀具的基體材料、涂層和結(jié)構(gòu)等，是有效增強(qiáng)刀具的切削性能并完成精加工的重要影響條件。分析和研究鈦合金加工新型刀具材料的過(guò)程中，需要提高對(duì)刀具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重視程度?，F(xiàn)階段，針對(duì)微結(jié)構(gòu)，如減振韌帶和刃口強(qiáng)化結(jié)構(gòu)等一些方面內(nèi)容，缺少相關(guān)研究和創(chuàng)新。同時(shí)在理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真分析和試驗(yàn)同刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，是未來(lái)鈦合金加工刀具技術(shù)主要發(fā)展方向和內(nèi)容。

5 鈦合金整體結(jié)構(gòu)件高速高效加工工藝?yán)碚撗芯?/h2>

5.1 走刀路徑和走刀方式研究

對(duì)走刀路徑進(jìn)行合理設(shè)置，能夠保證鈦合金整體結(jié)構(gòu)件的加工精度。針對(duì)設(shè)置有定位功能的表面，應(yīng)利用由內(nèi)向外的銑削方式，進(jìn)而得到一個(gè)呈內(nèi)凹形狀的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)定位精度和效果。同時(shí)針對(duì)一些具有單元框結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)件，為實(shí)現(xiàn)均勻去除材料的目的，人們應(yīng)利用由外向內(nèi)或由內(nèi)向外的銑削方式，充分釋放出材料上的應(yīng)力，確保構(gòu)件在剛度方面有著良好的均衡性，避免出現(xiàn)加工變形問(wèn)題。對(duì)具有薄壁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件做加工處理時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇對(duì)應(yīng)的走刀方式，保證加工的精度和質(zhì)量。人們可以利用吃水線(xiàn)走刀方式，從薄壁的兩側(cè)位置實(shí)施交互進(jìn)刀操作，這樣在切削時(shí)，薄壁的兩側(cè)位置就能形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)借助構(gòu)件本身剛度，進(jìn)一步提高加工精度。

5.2 加強(qiáng)插銑技術(shù)在鈦合金加工中的應(yīng)用研究

利用插銑技術(shù)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)鈦合金材料加工作業(yè)的高效進(jìn)行。針對(duì)插銑技術(shù)主要有以下幾種應(yīng)用場(chǎng)景。首先是對(duì)淺寬凹腔的加工作業(yè)，能夠有效避免深切立銑刀的加工缺陷。其次是對(duì)窄深凹腔的加工作業(yè)，能夠有效避免立銑刀需要在走刀步驟耗費(fèi)較長(zhǎng)加工時(shí)間而無(wú)法展開(kāi)切削的問(wèn)題。最后是針對(duì)構(gòu)件的拐角位置展開(kāi)插銑加工作業(yè)，能夠?qū)θ康膯卧蛘归_(kāi)插銑加工，進(jìn)而保證加工質(zhì)量和效率。

5.3 基于切削穩(wěn)定性工藝參數(shù)優(yōu)化研究

在鈦合金材料加工切削過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)加工的表面質(zhì)量和穩(wěn)定性造成一定影響。保證加工的穩(wěn)定性能夠提高刀具壽命，維持較高的數(shù)控機(jī)床精度。因此在鈦合金材料展開(kāi)加工工藝參數(shù)優(yōu)化操作時(shí)，人們需要充分考慮機(jī)床、刀具和工件的一些動(dòng)態(tài)特征。在確保切削穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，完成工藝參數(shù)的相關(guān)優(yōu)化工作。此外，還應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注工件受材料去除不斷變化影響的剛度時(shí)變特征。鈦合金整體結(jié)構(gòu)的材料去除率能夠達(dá)到90%的水平，這對(duì)鈦合金材料的高速高效切削加工作業(yè)提出了更加苛刻的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

6 結(jié)語(yǔ)

在利用數(shù)控加工技術(shù)對(duì)鈦合金材料加工的過(guò)程中，人們需要綜合考慮到鈦合金材料的性能特點(diǎn)。針對(duì)鈦合金的切削加工難點(diǎn)，制定有效解決和改進(jìn)措施，加強(qiáng)對(duì)加工刀具的設(shè)計(jì)和研究，在保證加工精度和質(zhì)量、不損壞刀具的基礎(chǔ)上，完成加工作業(yè)。人們應(yīng)提高對(duì)于一些先進(jìn)的加工工藝?yán)碚撗芯康闹匾暢潭?，加大資金和資源投入，提高我國(guó)在數(shù)控加工領(lǐng)域的實(shí)力。