鈦合金材料高效高速加工機床應用現狀及發展趨勢

■ 沈陽機床（集團）有限責任公司 （遼寧 110142） 徐吉存 陳洪軍 曹文智 羅和平

在航空工業中，鈦合金結構件大量采用薄壁件和桁架結構，通常90%以上的余量需要由切削加工方法來去除，鈦合金的切削加工量大，加上鈦合金固有的難加工特性，使鈦合金零件的加工時間長、成本高，已經遠遠超過了原材料本身的成本。因此，針對鈦合金加工工藝特性，設計研發高效高速鈦合金切削機床是目前國內外機床企業的重要課題之一。

1. 鈦合金物理特性

鈦合金按金屬組織類型分為：α（TA表示）、β（TB表示）、α+β（TC表示）。TC4合金根據精煉程度分為普通TC4和TC4（ELI），其物理性質和化學成分如表1、表2所示。該合金現在占到鈦合金總產量的50%，占到全部鈦合金加工件的95%。

表1 Ti6Al4V合金物理性質

表2 Ti6Al4V合金與Ti6Al4V（ELI）合金的成分（%）

2. 加工特性

鈦合金材料相對可加工性Kr僅為0.22～0.35，屬很難切削加工的金屬材料，其高速切削速度范圍（100～1 200m/min）遠低于鋁合金材料（2 500～7 500 m/min）。其切削加工的難點主要表現在如下若干方面：

（1）大切削力：通常金屬材料的硬度和強度越高，則其切削加工所需要的切削力就越大，切削溫度就越高，刀具磨損就越快，故相對可加工性也就越差。如鋁合金材料相對可加工性系數Kr為2.0～7.5，高強度鋼Kr為0.3～0.7，鈦合金Kr為0.22～0.35。因此，和切削加工鋁合金等輕金屬材料相比，鈦合金切削加工需要更大切削力，通常超過1 000N，是普通鋼材的2～4倍，是鋁合金材料的10～40倍。

（2）高切削溫度：切削加工鈦合金材時，通常切屑與刀具前刀接觸面較小，切削點的溫度極高，可達1 100～1 200℃左右，切削區高溫狀態易使刀尖很快熔化或粘結，導致刀具磨損嚴重。這也就決定了對鈦合金材料必須采用高壓大流量冷卻液切削加工。

（3）易生成硬化層：鈦合金化學活性高，在高溫狀態下極易發生化學反應，導致切削表面生成硬化層，其深度可達0.10～0.15mm，致使表層硬度大幅度提高，加速了刀具磨損。

（4）易產生彈性變形和振動：鈦合金彈性模量小，導致切削時易產生彈性變形和振動，不僅影響零件加工尺寸精度和加工表面粗糙度，而且已加工面的彈性恢復較大，約為不銹鋼的2～3倍。 同時，鈦合金低彈性模量使其具有明顯橡膠特性趨勢，容易使刀具切削刃產生積屑瘤，同樣也可加速刀具磨損，制約了使用高切削速度。

（5）低切削速度：采用傳統加工方法切削加工鈦合金材料零件，其切削速度一般不超過40～50m/min，粗加工時金屬切除率（mrr）一般不超過40cm3/min，而精加工時mrr一般不超過l0cm3/min。而采用高效高速加工技術，目前切削速度可達100～1 200m/min，金屬切除率最高可達700cm3/min。但在實際工業生產中一般均低于此最高值以確保刀具具有足夠的耐用度，典型切削速度為100～400m/min，典型金屬切除率為100～400cm3/min。

（6）小刀具接觸弧系數：為維持高的刀具耐用度和改善加工質量，切削加工鈦合金材料整體構件，一般要求刀具接觸弧系數≤40%，在使用較高切削速度（≥120m/min）時則通常要求刀具接觸弧系數≤15%。工業實踐表明：當刀具接觸弧系數≤25%時，切削速度可增加50%，而當刀具接觸弧系數≤10%時，切削速度可增加100%。

鑒于上述鈦合金材料切削加工的特殊性，世界許多著名的數控機床制造商都對傳統高速數控加工機床進行創新性研發，積極推出了適合于鈦合金材整體結構件的各種高效高速數控加工機床。

3. 鈦合金加工機床特點

目前，許多機床制造商推出的用于大型鋁合金等輕合金材料的高效高速數控機床，若將它用于對鈦合金和航空高溫合金等一類具有高強度與高硬度的難加工金屬材料實現高速加工顯然不合適，盡管也能切削加工這些硬合金材料，但其切削效率卻往往無法讓人接受。其主要原因在于：

一是加工鈦合金等硬合金材需要大切削力，或者說需要高轉矩主軸，而典型用于鋁合金等輕合金材料的高速切削加工的高效高速數控機床主軸轉矩多數都小于100N·m，一般不超過200N·m，不具備高效率加工鈦合金等硬合金材的切削加工能力。

二是加工鈦合金等硬合金材料通常僅允許使用較低的切削速度，即僅能使用較低主軸轉速，而典型用于鋁合金等輕合金材料的高速切削加工的高效高速數控機床主軸轉速范圍和目前鈦合金材料加工工藝要求不相適應。

因此，對用于鈦合金材料高速加工數控加工機床結構、剛性、動態特性、主軸與坐標驅動、冷卻系統、刀具與刀具接口以及控制系統等許多關鍵數控部件的設計制造都提出了新要求。

（1）高功率高轉矩主軸。為取得大切削力，則應采用較低主軸轉速，或要求主軸能提供足夠高的額定功率轉速比，通常要求大于0.1。這就要求鈦合金材料加工數控機床主軸額定轉矩應不低于1 000N·m數量級。

通常，對鈦合金材料高效加工（HEM）時要求主軸轉速低于1 000r/min，典型為200～400 r/min，主軸轉矩300～1 500N·m；高速加工（HSM）時典型主軸轉速為3 000～8 000r/min，典型轉矩為80～250N·m。

圖1給出了目前用于鈦合金材料高速加工時較理想的主軸功率/轉矩-轉速特性曲線趨勢。顯然，這是一種高功率高轉矩低轉速調控的主軸特性曲線，和用于鋁合金材料高速加工的高功率高轉速調控的主軸特性曲線有明顯不同。正因為這種明顯差別，有人形象地將鋁合金材高速加工機床比喻為F1賽車，而將鈦合金材高速加工機床比喻為重型推土機。

（2）高剛性與高動態響應性。由于加工鈦合金等難加工材料時需要高功率高轉矩主軸，因而除要求主軸本身具有高剛性外，還要求機床應比加工鋁合金材時具有更高的剛性（包括高靜剛性、高動剛性和高熱剛性）和更高動態響應性（高定位/重復定位精度、高進給速度和高加速度）。同時要求機床坐標軸驅動具有足夠高的驅動力，特別是帶旋轉坐標軸時，要求旋轉軸應能提供足夠高的驅動轉矩，一般要求不低于1 000N·m，典型為2 000～5 000N·m，對大重型機床甚至需數千N·m到20 000N·m。

（3）高可靠刀具接口。使用高功率高轉矩主軸切削加工，要求機床主軸刀具接口裝置具有足夠大的拉緊力和能傳遞大扭矩的能力。同時，為抑制低頻加工振蕩，也要求刀具接口裝置具有高剛性。因而，鈦合金材料高效高速數控加工機床一般配置HSK-A100，典型為HSK-A125，甚至使用HSK-A160。

圖1 鈦合金切削理想主軸特性曲線趨勢

（4）低頻加工穩定性。高效率加工鈦合金或航空高溫合金等難加工材料整體構件時，僅允許使用較低的切削速度，即較低的主軸轉速（可低于100r/min）。因此，取得低頻加工穩定性是用于鈦合金等硬合金材料切削加工數控機床所必須滿足的基本要求之一。

（5）高壓大流量冷卻系統。為了有效提升設備加工生產率，延長設備與刀具使用壽命，改善零件加工質量，用于鈦合金等難加工材料結構件的高速加工數控機床，通常設計有高壓大流量（HPHV）液壓冷卻潤滑系統。HPHV系統一般包括直接貫通主軸/刀具高壓冷卻系統（HPTC），通過多個外部噴嘴噴射的外噴式切削刀具和工件的高壓冷卻系統，以保持主軸良好運行性能，快速冷卻刀具工件和沖排切屑，提高零件加工質量，增加刀具使用壽命。采用HPHV冷卻潤滑系統的高效高速數控機床，要求大于720psi（5MPa），常用工業標準為 1 000～2 000psi（7～1 4 M P a），當壓力為1 000psi時，一般要求流量不低于30L/min（8glm）。

（6）高裝備與制造工藝融合集成性。使用較低切削速度，就意味著加工鈦合金材料構件需要較長的加工周期。通常對鈦合金TC4零件加工時間典型為普通鋼零件的2～4倍，是典型鋁合金材料的10～12倍，而加工Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 和Ti-10V-2Fe-3Al 新型鈦合金材料零件一般又比加工TC4鈦合金材料要長一倍時間。這就導致鈦合金材料整體結構件切削加工生產率低，加工成本較高。

因此，為提高鈦合金材料零件切削加工生產率，降低加工成本，適應批量定制生產，許多數控機床制造商采用托盤化加工，或多主軸加工，或多工作臺（區）加工，或銑車復合加工，或輕硬合金材復合加工等制造工藝技術融合集成在鈦合金材料高效高速數控加工機床上，以提高加工生產率，降低加工成本。

4. 國外主要鈦合金加工機床特點及性能

國外多家機床廠商都在研究開發鈦合金高速高效加工機床，如意大利J O B S公司、德國Handtmann公司、美國MAG Cincinnati機床公司和日本Makino公司等。

例如，大型數控機床制造商意大利JOBS公司新推出的專用于大型鈦合金材料高速高效加工的立式五軸數控龍門加工中心Tarkus可作為這類機床的一典型實例，如圖2所示。該機床主要用于鈦合金、不銹鋼和航空高溫合金等硬合金的切削加工，最大特點是：機床龍門采用了全封閉立臥雙框結構（Dual-Frame HV structure），其X向龍門框架為固定的，通過工作臺移動實現X軸運動，工件在龍門架之下，Z向龍門框架可上下移動實現Z軸運動。

圖2 Tarkus立式五軸數控龍門加工中心

主軸裝置在Z向上沒有任何可移動的部件，主軸Z向運動就像機床本身在運動一樣。這樣，刀具切削點無論是遠離還是接近工作臺面，對主軸裝置而言都是一樣的，確保了在整個Z軸行程內的高精密加工品質。

同時，這種立臥雙框結構設計可提高機床結構剛性，減振性能優良，工作穩定。Tarkus機床配有機械驅動與液壓夾緊的高剛性帶兩旋轉軸的主軸銑頭T35，A擺動軸+120°/－15°，C旋轉軸360°連續，主軸功率42kW，轉矩1 470N·m，基速270r/min，最高轉速4 000 r/min，刀具接口HSK-A100。機床采用了全封閉防護結構設計，X/Y/Z工作行程：3 300（4 500）mm/2 100mm /1 000mm，進給速度32m/min；工作臺面3 000mm×1 500mm，配置有70MPa高壓冷卻潤滑系統。銑頭液壓夾緊力達10 000N·m，可滿足3坐標大負載加工應用需求。

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