基于大型航空器的鈦合金高速銑削技術

吳晗

(中航工業沈陽飛機工業(集團)有限公司21廠,遼寧沈陽 110850)

基于大型航空器的鈦合金高速銑削技術

吳晗

(中航工業沈陽飛機工業(集團)有限公司21廠,遼寧沈陽 110850)

鈦合金廣泛的應用至造船、醫療、化工、航天等多個領域中，得益于航空航天技術的飛速發展，鈦工業在近50年來得到了飛速的發展。由于鈦合金強度高、耐熱性和耐蝕性較一般合金優良，因此，在大型航空器制造領域，鈦合金主要用在壓氣機盤、渦輪盤、葉片以及其他大型起落架、支撐架等部位。其重要性和安全性不言而喻。

鈦合金 高速銑削 航空器

以美國為首的大型航空器制造大國，近些年在戰斗機和民用飛機上使用鋁合金的比率大大降低，而鈦合金和復合材料的使用量不斷攀升。鈦合金具有良好的抗腐蝕性，比強度較高，在使用鈦合金的過程中表面易發生破損甚至產生更為嚴重的缺陷，因此如何提高鈦合金零件的抗疲勞能力，維持零件表面的完整程度是現階段航空企業和科研部門研究的重點。

1 鈦合金的銑削加工特點

1.1 鈦合金的主要物理力學性能

從物理力學的角度看，鈦合金擁有如下幾個性能。一是熔點較高；二是導熱系數低；三是比熱小；四是線破脹系數低；五是密度小；六是強度高；七是硬度高；八是彈性模量低，約為剛和不銹鋼的一半；九是高溫和低溫性能優良。在低溫情況下，鈦合金在強度和硬度上都有所提升。鈦合金的有效工作環境溫度最高可達550-600℃；最后，鈦合金擁有優良的耐腐蝕性。在含有大量氧的實驗環境中，鈦合金能夠生成堅固的氧化物保護膜，提高了其耐腐蝕性。

1.2 鈦合金的銑削加工特性

首先，由于鈦合金的強度和硬度較其他合金材料相對較高，因此加工過程中使用的道具和模具需要相應的具有高強度和硬度，于此同時還要適當提高加工設備的使用功率。其次，鈦合金在銑削加工的過程中會產生很高的熱量，造成刀具溫度的快速提升。這是由于鈦合金摩擦系數大、導熱系數低，同時刀具與切屑接觸的面積小，產生的熱量集中在小范圍的區域內不宜散熱。再次，鈦合金在銑削加工時，由于鈦合金彈性模量滴，因此工件的回彈加劇了刀具的磨損和變形。另外，銑削鈦合金過程中，會產生大量的熱量，快速提升了鈦合金零件表面的溫度，鈦合金高溫時化學活動較為活躍，與氫、氧等氣體都能發生化學反應，產生的硬化層進一步加劇了刀具的磨損程度。最后，在鈦合金銑削加工中，由于溫度較高，鈦合金元件、刀具、工件材料受到高溫的作用容易相互之間產生粘連的磨損。

2 高速切削加工簡介

2.1 高速銑削加工的定義

20世紀二三十年代，德國Carl．J．Salomon首次提出高速銑削加工的概念。通過大量的銑削實驗，他得出，溫度會隨著銑削加工的速度而提升，直到一個峰值，此時的加工速度稱為臨界速度。當超過臨界速度后，溫度反而會隨之下降。因此找到臨界速度，并進一步提升使之達到超高速區域進行加工，一方面大大提升了加工效率，另一方面也能夠降低高速加工過熱隱藏的風險。對于如何定義高速銑削，目前學術界以及航空器生產領域都沒有一個統一的結論。因為不同的工件材料可以承受的高速銑削的速度范圍并不一致，因此難以簡單的確定一個標準作為高速銑削具體速度的定義，目前，人們僅根據切削線速度、主軸轉速、機床DN值來劃分不同工件材料的告訴銑削的合理速度范圍。現階段大型航空器上較常采用的幾種工件材料的切削速度范圍如圖1可視。

圖1 不同材料高速銑削的速度范圍

2.2 高速切削加工的特點

高速銑削技術之所以能夠被廣泛的應用至大型航空器的制造中，離不開其加工過程中的巨大優勢，如要表現在如下幾個方面。一是隨著切削速度的大幅度提高，進給速度也相應提高。這樣，單位時間內的材料切除率大幅度增加，可達到常規切削的3－6倍，甚至更高。同時機床的空行程速度也有很大的提高，減少了空行程的時間，從而極大的提高了機．床的生產率。二是在切削過程中，會產生大量的切屑，而這些切屑能夠帶走一部分因切削產生的熱量。在高速銑削加工中，由于速度較快，切屑能夠帶走85%以上的熱量，一定程度上降低了導入工件中的熱量，抑制了工件溫度的快速提升。從一個方面減少了工件因過熱而產生變形的概率，提高了加工精度。三是隨著切削速度的提高，切削力降低。在高速切削范圍內，切削力可比常規切削降低30%以上。所以，高速切削有利于剛性較差的零件和薄壁零件的加工，可以進一步提高其加工精度。四是在鈦合金加工中由于機器、刀具、元件相互產生的振動降低了工件的精準度。使用高速銑削技術后，由于其工作的頻率遠遠超過的機床的固有頻率，因此大大降低了機床的振動幅度，提高了加工的穩定性。對提高加工工件表面的平滑度，為下一步的精加工奠定了良好的基礎。

2.3 存在的問題

目前高速切削已經廣泛的應用于大型航空器制造上，對高速切削各方面的內容已經進行了很多研究，取得了較大的進展，但是在高速切削原理，以及高速切削過程中的切削溫度、切削力等現象的認識還有很多不清楚的地方。特別是對鈦合金高速切削的研究，由于起步相對較晚和材料成本等原因，研究還不夠充分，限制了鈦合金零件加工中生產率的提高和加工質量的改善。與常規切削加工相比，高速切削加工在切削力、切削溫度、刀具磨損和加工表面完整性等方面有其不同的特征和規律。

3 結語

由于高速切削具有提高生產效率，改善加工精度和表面質量，可以省略后續加工工序，降低生產成本等優點，高速銑削在大型航空器領域的應用已經廣泛的開展起來，當然，高速切削技術中也有很多有待解決的問題，例如在難加工材料高速切削時的切削溫度和刀具磨損的問題，高速切削機理的研究，高速切削對表面完整性的影響等。為了其在大型航空器制造業發揮更為重要的作用，還需要更為深刻的研究。

[1][德]馬圖哈主編.丁道云等譯.材料科學與技術叢書,第8卷,非鐵合金的結構與性能,北京:科學出版社,2012.

[2]艾興等編著.高速切削加工技術,北京:國防工業出版社,2008.10.

[3]滿忠雷,何寧.不同介質下鈦合金高速銑削時銑削力的研究,機械工程師,2004,4:5-8.