鈦合金高效高速數(shù)控加工機(jī)床應(yīng)用現(xiàn)狀與最新發(fā)展

1、鈦合金高效高速數(shù)控加工機(jī)床應(yīng)用現(xiàn)狀與最新發(fā)展鈦合金材由于其高比強(qiáng)度等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)被航宇工業(yè)廣泛作為飛行器的結(jié)構(gòu)用材。本文較詳細(xì)論述大型鈦合金高效高速加工技術(shù)及其數(shù)控加工機(jī)床的發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀和新趨勢?，F(xiàn)今，鋁合金材高效高速數(shù)控加工機(jī)床技術(shù)已相當(dāng)成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。隨著鈦合金材整體構(gòu)件在大型飛機(jī)上的應(yīng)用增多，其切削加工的低效已成為大型飛機(jī)快速制造的瓶頸，配置有高功率高轉(zhuǎn)矩主軸的鈦合金材高速數(shù)控MC機(jī)床已成為許多航宇制造業(yè)用戶特別關(guān)注和優(yōu)先考慮

2、的現(xiàn)代化先進(jìn)關(guān)鍵制造裝備之一。所有這些，促使工業(yè)界更加關(guān)注鈦合金材HEMHSM加工技術(shù)及其裝備的發(fā)展與工業(yè)應(yīng)用。世界許多著名數(shù)控機(jī)床和主軸制造商也都加強(qiáng)了對該技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)研究力度，一些機(jī)床制造商甚至還成立專門的研發(fā)中心，積極為航宇制造業(yè)推出了多種類型用于大型復(fù)雜鈦合金材整體結(jié)構(gòu)件HEMHSM加工應(yīng)用的數(shù)控加工機(jī)床。眾所周知，直到目前為止工業(yè)界對高速加工技術(shù)HSM還未有一種統(tǒng)一、明確、權(quán)威和公認(rèn)的定義。實(shí)際上，HSM技術(shù)中“高速”是為一

3、種相對性概念，對不同工件材料或不同切削工藝類型其HSM定義的“高速”速度范圍則是不同的。鈦合金材相對材料可加工性Kr僅為0.22~0.35，屬很難切削加工之金屬材，其高速切削速度范圍（100~1200mmin）遠(yuǎn)低于鋁合金材（2500~7500mmin）。比如一把直徑50mm刀具，在主軸轉(zhuǎn)速4000rmin時其切削速度為628mmin，對鋁合金材而言，這挨不上高速的邊，但對鈦合金材而言，這已是較高速了。顯然，用于鈦合金材HEMHSM加工

4、應(yīng)用的高速數(shù)控加工機(jī)床明顯不同于鋁合金材場合，簡單地講，對鋁合金材需要高功率高轉(zhuǎn)速主軸的數(shù)控加工機(jī)床，對鈦合金材則需要高功率高轉(zhuǎn)矩主軸的數(shù)控加工機(jī)床。鈦合金材為何難切削加工鈦合金材為何難切削加工鈦合金材具有高強(qiáng)度、高硬度和低密度材料特性，如鈦合金Ti6Al4V（簡稱Ti64）抗拉強(qiáng)度達(dá)900MPa，硬度為250～375HB，密度4.42gcm3，使得鈦合金材整體結(jié)構(gòu)件除在現(xiàn)代軍用飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用外，在現(xiàn)代大型客機(jī)上也得到了越來越多的應(yīng)

5、用，其用材重量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)總重量百分比數(shù)呈現(xiàn)快速上升趨勢，并已開始超過了鋼結(jié)構(gòu)件。因此，實(shí)現(xiàn)鈦合金材結(jié)構(gòu)件高效率切削加工已成為大型飛機(jī)制造生產(chǎn)之關(guān)鍵。然而，和鋁合金材相比，鈦合金材屬很難加工金屬材，其切削加工的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下若干方面：大切削力眾所周知，通常金屬材料的硬度和強(qiáng)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。如鋁合金材相對可加工性系數(shù)Kr為2.0～7.5，高強(qiáng)度鋼Kr為0.

6、3～0.7，鈦合金Kr為0.22～0.35，而航空高強(qiáng)度高溫合金Kr僅0.07～0.3。因此，和切削加工鋁合金等輕金屬材相比，鈦合金材切削加工需要更大切削力，通常需近1000～數(shù)千牛（Newton，N），是普通鋼材的2～4倍，是鋁合金材的10～40倍。如用一把4齒直徑32mm的端銑刀，切深19mm，以20cm3min金屬切除率切削加工鈦合金材時將會產(chǎn)生4445N(1000lbs)負(fù)載力，若刀具磨損50%，負(fù)載力將增加至8890N。因此，

7、加工鈦合金等硬合金材需要大切削力就意味著需要高轉(zhuǎn)矩主軸，或就意味著僅允許使用較低切削速度，大約僅為鋁合金材時的10%。高切削溫度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(diǎn)的溫度極高，可達(dá)1100~1200℃左右，切削區(qū)高溫狀態(tài)易使刀尖很快熔化或粘結(jié)，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重。此外，鈦合金材熱傳導(dǎo)系數(shù)低，大約僅為合金鋼的15%，鋁合金材的5%，（鈦熱傳導(dǎo)系數(shù)15.24WmK；鈦合金Ti64為7.56WmK；AISI4340

8、合金鋼為44.6WmK；45號鋼為于鋁合金等輕合金材的HEMHSM切削加工的高效高速數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)矩多數(shù)都小于100Nm，一般不超過200Nm，不具備高效率加工鈦合金等硬合金材的切削加工能力。如前所述，加工鈦合金等硬合金材通常僅允許使用較低切削速度，即僅能使用較低主軸轉(zhuǎn)速，而典型用于鋁合金等輕合金材的HEMHSM切削加工的高效高速數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速范圍和目前鈦合金材加工工藝要求不相適應(yīng)。因此，對用于鈦合金材HEMHSM加工的數(shù)控加工機(jī)床結(jié)

9、構(gòu)、剛性、動態(tài)特性、主軸與坐標(biāo)驅(qū)動、冷卻系統(tǒng)、刀具與刀具接口以及控制系統(tǒng)等許多關(guān)鍵數(shù)控部件的設(shè)計制造都提出了新要求。主要包含如下若干方面基本要求。高功率高轉(zhuǎn)矩主軸從金屬切削加工基本原理可知，對金屬材銑削加工時有：mrr=aeapzfZn103=PSMRF（cm3min）（1）PS=SPFmrr（kW）(2)PSn=T9555≈T104（3）式中r：mrr——金屬切除率，cm3min；ae——切寬WOC，mm；ap——切深DOC（軸向切深

10、，AxialDepthofcut），mm；fZ——每齒進(jìn)給量，mm刃轉(zhuǎn)；z——刀齒數(shù)；n——主軸轉(zhuǎn)速，rmin；PS——主軸功率，kW；T——主軸轉(zhuǎn)矩，Nm；MRF——金屬切除指數(shù)（MetalRemovalFact），cm3?min1kW；SPF——主軸功率指數(shù)（SpindlePowerFact），kWcm3?min1；且F=nfZz（mmmin），F(xiàn)為加工進(jìn)給率。從式（1）與（2）可看出，為取得高金屬切除率mrr，作為鈦合金材HEMH

11、SM加工的數(shù)控機(jī)床之主軸首先應(yīng)具有足夠高的功率。目前，對鈦合金材（Ti64）主軸功率指數(shù)SPF典型為0.06kWcm3?min1，為典型鋁合金材的4倍。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，綜合考慮到刀具使用壽命、機(jī)床特性、加工精度和加工質(zhì)量等諸多因素的約束，目前銑削鈦合金材（Ti64）所能取得的金屬切除率mrr約40~700cm3min（典型100~400cm3min），僅為鋁合金材的5~10%。因而，加工鈦合金材時所需的主軸功率可能反而比加工鋁合金材時

12、低，盡管其SPF高于鋁合金材。加工如鈦合金材時主軸功率為22.5kW，而加工如鋁合金材時主軸功率為70kW比較合適的。目前，用于鈦合金材零件HEMHSM切削加工的數(shù)控MC機(jī)床，其典型主軸功率為30~60kW，并呈現(xiàn)出逐年提高的趨勢，目前最高已超過100kW。同時，由式（3）可看出：對確定主軸功率，為取得大切削力（高轉(zhuǎn)矩），則應(yīng)采用較低主軸轉(zhuǎn)速（較低切削速度），或說要求主軸能提供足夠高的額定功率轉(zhuǎn)速比，通常要求大于0.1。這就要求作為鈦合