吳晗

(中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司21廠,遼寧沈陽(yáng) 110850)

基于大型航空器的鈦合金高速銑削技術(shù)

吳晗

(中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司21廠,遼寧沈陽(yáng) 110850)

鈦合金廣泛的應(yīng)用至造船、醫(yī)療、化工、航天等多個(gè)領(lǐng)域中，得益于航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，鈦工業(yè)在近50年來(lái)得到了飛速的發(fā)展。由于鈦合金強(qiáng)度高、耐熱性和耐蝕性較一般合金優(yōu)良，因此，在大型航空器制造領(lǐng)域，鈦合金主要用在壓氣機(jī)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(guó)為首的大型航空器制造大國(guó)，近些年在戰(zhàn)斗機(jī)和民用飛機(jī)上使用鋁合金的比率大大降低，而鈦合金和復(fù)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(qiáng)度較高，在使用鈦合金的過(guò)程中表面易發(fā)生破損甚至產(chǎn)生更為嚴(yán)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(xiàn)階段航空企業(yè)和科研部門研究的重點(diǎn)。

1 鈦合金的銑削加工特點(diǎn)

1.1 鈦合金的主要物理力學(xué)性能

從物理力學(xué)的角度看，鈦合金擁有如下幾個(gè)性能。一是熔點(diǎn)較高；二是導(dǎo)熱系數(shù)低；三是比熱?。凰氖蔷€破脹系數(shù)低；五是密度?。涣菑?qiáng)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(yōu)良。在低溫情況下，鈦合金在強(qiáng)度和硬度上都有所提升。鈦合金的有效工作環(huán)境溫度最高可達(dá)550-600℃；最后，鈦合金擁有優(yōu)良的耐腐蝕性。在含有大量氧的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，鈦合金能夠生成堅(jiān)固的氧化物保護(hù)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(qiáng)度和硬度較其他合金材料相對(duì)較高，因此加工過(guò)程中使用的道具和模具需要相應(yīng)的具有高強(qiáng)度和硬度，于此同時(shí)還要適當(dāng)提高加工設(shè)備的使用功率。其次，鈦合金在銑削加工的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)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(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)低，同時(shí)刀具與切屑接觸的面積小，產(chǎn)生的熱量集中在小范圍的區(qū)域內(nèi)不宜散熱。再次，鈦合金在銑削加工時(shí)，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(guò)程中，會(huì)產(chǎn)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(shí)化學(xué)活動(dòng)較為活躍，與氫、氧等氣體都能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的硬化層進(jìn)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(chǎn)生粘連的磨損。

2 高速切削加工簡(jiǎn)介

2.1 高速銑削加工的定義

20世紀(jì)二三十年代，德國(guó)Carl．J．Salomon首次提出高速銑削加工的概念。通過(guò)大量的銑削實(shí)驗(yàn)，他得出，溫度會(huì)隨著銑削加工的速度而提升，直到一個(gè)峰值，此時(shí)的加工速度稱為臨界速度。當(dāng)超過(guò)臨界速度后，溫度反而會(huì)隨之下降。因此找到臨界速度，并進(jìn)一步提升使之達(dá)到超高速區(qū)域進(jìn)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(guò)熱隱藏的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于如何定義高速銑削，目前學(xué)術(shù)界以及航空器生產(chǎn)領(lǐng)域都沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)論。因?yàn)椴煌墓ぜ牧峡梢猿惺艿母咚巽娤鞯乃俣确秶⒉灰恢?，因此難以簡(jiǎn)單的確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為高速銑削具體速度的定義，目前，人們僅根據(jù)切削線速度、主軸轉(zhuǎn)速、機(jī)床DN值來(lái)劃分不同工件材料的告訴銑削的合理速度范圍?，F(xiàn)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(diǎn)

高速銑削技術(shù)之所以能夠被廣泛的應(yīng)用至大型航空器的制造中，離不開其加工過(guò)程中的巨大優(yōu)勢(shì)，如要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。一是隨著切削速度的大幅度提高，進(jìn)給速度也相應(yīng)提高。這樣，單位時(shí)間內(nèi)的材料切除率大幅度增加，可達(dá)到常規(guī)切削的3－6倍，甚至更高。同時(shí)機(jī)床的空行程速度也有很大的提高，減少了空行程的時(shí)間，從而極大的提高了機(jī)．床的生產(chǎn)率。二是在切削過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的切屑，而這些切屑能夠帶走一部分因切削產(chǎn)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(dǎo)入工件中的熱量，抑制了工件溫度的快速提升。從一個(gè)方面減少了工件因過(guò)熱而產(chǎn)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(nèi)，切削力可比常規(guī)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(jìn)一步提高其加工精度。四是在鈦合金加工中由于機(jī)器、刀具、元件相互產(chǎn)生的振動(dòng)降低了工件的精準(zhǔn)度。使用高速銑削技術(shù)后，由于其工作的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)的機(jī)床的固有頻率，因此大大降低了機(jī)床的振動(dòng)幅度，提高了加工的穩(wěn)定性。對(duì)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(chǔ)。

2.3 存在的問(wèn)題

目前高速切削已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于大型航空器制造上，對(duì)高速切削各方面的內(nèi)容已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，取得了較大的進(jìn)展，但是在高速切削原理，以及高速切削過(guò)程中的切削溫度、切削力等現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)還有很多不清楚的地方。特別是對(duì)鈦合金高速切削的研究，由于起步相對(duì)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(chǎn)率的提高和加工質(zhì)量的改善。與常規(guī)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(guī)律。

3 結(jié)語(yǔ)

由于高速切削具有提高生產(chǎn)效率，改善加工精度和表面質(zhì)量，可以省略后續(xù)加工工序，降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)，高速銑削在大型航空器領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)廣泛的開展起來(lái)，當(dāng)然，高速切削技術(shù)中也有很多有待解決的問(wèn)題，例如在難加工材料高速切削時(shí)的切削溫度和刀具磨損的問(wèn)題，高速切削機(jī)理的研究，高速切削對(duì)表面完整性的影響等。為了其在大型航空器制造業(yè)發(fā)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(xué)與技術(shù)叢書,第8卷,非鐵合金的結(jié)構(gòu)與性能,北京:科學(xué)出版社,2012.

[2]艾興等編著.高速切削加工技術(shù),北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.10.

[3]滿忠雷,何寧.不同介質(zhì)下鈦合金高速銑削時(shí)銑削力的研究,機(jī)械工程師,2004,4:5-8.