鈦合金以其強(qiáng)度高、機(jī)械性能好和耐腐蝕性能強(qiáng)等特點(diǎn)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛, 隨著鈦合金在飛機(jī)上所占比重的不斷增加,鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工效率對(duì)航空制造企業(yè)的影響也越來(lái)越大。鈦合金屬于難加工材料,其相對(duì)切削性為0.15~0.25,加工效率僅為鋁合金的10%,因此鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的低加工效率嚴(yán)重制約了現(xiàn)代飛機(jī)的批量生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的高效加工成為了航空制造企業(yè)、數(shù)控設(shè)備制造商和刀具制造商共同關(guān)注的話題。
01
鈦合金切削加工性能
鈦合金具有機(jī)械性能好、抗腐蝕性能強(qiáng)以及比重小等特點(diǎn)。但是在加工中,鈦合金的切削加工性能很差,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1) 大切削力。鈦合金材料強(qiáng)度高,在切削時(shí)產(chǎn)生的切削阻力大,導(dǎo)致切削刃口產(chǎn)生大量的切削熱;
(2) 導(dǎo)熱率低。鈦合金熱擴(kuò)散率低,大量的切削熱集中在切削區(qū)域;
(3) 刀尖應(yīng)力大。鈦合金的塑性低,加工產(chǎn)生的切屑極易彎曲,導(dǎo)致切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度短,因此切削刃上單位面積存力增大,造成刀尖部位應(yīng)力集中;
(4) 摩擦力大。鈦合金的彈性模量小,造成前、后刀面的摩擦加劇;
(5) 化學(xué)活潑性高。鈦元素在高的切削溫度下,很容易與空氣中的氫、氧、氮等氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成表面硬層,加速刀具磨損。
鈦合金高效加工設(shè)備
為了滿足鈦合金結(jié)構(gòu)件的高效加工,新型的鈦合金加工設(shè)備呈現(xiàn)出如下發(fā)展趨勢(shì):
(1) 大扭矩。鈦合金強(qiáng)度高,加工中切削力非常大,鈦合金加工機(jī)床的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是主軸扭矩和擺角扭矩大。
(2) 電主軸的應(yīng)用。大功率、大扭矩的電主軸已應(yīng)用于鈦合金加工。
(3) 臥式加工中心應(yīng)用于鈦合金加工。臥式加工中心排屑方便,有利于提高加工效率和加工質(zhì)量,可交換工作臺(tái)易于實(shí)現(xiàn)多工位加工并組建柔性生產(chǎn)線,提高設(shè)備利用率。
(4) 高壓內(nèi)冷。鈦合金加工中切削熱集中在刀尖,易造成刀具磨損或損壞,高壓內(nèi)冷可準(zhǔn)確噴到切削區(qū)域帶走切削熱。
鈦合金高效加工刀具
鈦合金的切削加工性較差,傳統(tǒng)加工方式切削速度一般不超過(guò)60m/min。鈦合金的粗加工主要是以大切深、低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給的方式來(lái)獲得最大的金屬去除率;精加工采用PVD涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行小切寬、大切深的高速銑削獲得高效切削。因此鈦合金加工刀具主要圍繞如何在強(qiáng)力切削時(shí)避免振顫、減小切削力和降低切削溫度等方面進(jìn)行改進(jìn):
04鈦合金高效加工刀具
(1)鈦合金面銑加工:對(duì)鈦合金零件進(jìn)行面銑加工時(shí),采用小切深、大進(jìn)給的銑削方式獲得高效加工。大進(jìn)給銑削的原理是通過(guò)減小刀具主偏角,使刀具在很高的進(jìn)給下仍然能保持很小的切屑厚度,以減小高進(jìn)給時(shí)的切削力,實(shí)現(xiàn)在低切削速度下獲得很大的進(jìn)給量,增加單位切深下的金屬切除率。同時(shí)切削力部分垂直向上,切向力較小,消耗的功率也較小,該加工方法對(duì)機(jī)床的功率和剛性要求不高,應(yīng)用非常廣泛。
(2)鈦合金槽腔加工:槽腔是鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的一個(gè)主要特征,材料去除率高,工作量大,因此槽腔加工是實(shí)現(xiàn)鈦合金零件高效加工的關(guān)鍵(見(jiàn)圖1)。大切深、低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給的強(qiáng)力切削以獲得最大金屬去除率是鈦合金粗加工的有效方法。目前粗加工鈦合金的強(qiáng)力銑削刀具以玉米銑刀的效率最高而得到廣泛采用。
圖(1) 槽腔粗加工示意圖
(3)圓角加工技術(shù):為減輕飛機(jī)重量,飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的槽腔轉(zhuǎn)角處圓角通常較小,需要用直徑較小的銑刀進(jìn)行加工。由于在圓角處切削量突變,導(dǎo)致切削力變化非常大。在切削力突變的情況下,刀具輕易產(chǎn)生振動(dòng),甚至出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象,導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重,加工效率低下。插銑是解決轉(zhuǎn)角加工效率的最佳途徑。插銑加工比常規(guī)銑削振動(dòng)小,走刀方式去除轉(zhuǎn)角余量的效率高。通過(guò)不同直徑的插銑刀具對(duì)轉(zhuǎn)角處進(jìn)行插銑,可切除大部分轉(zhuǎn)角余量,再用立銑刀對(duì)插銑產(chǎn)生的殘留進(jìn)行清除,可以大幅度提高加工效率。
(4) 精密側(cè)銑技術(shù):在精加工側(cè)壁時(shí),利用銑削的斷續(xù)性來(lái)達(dá)到高速切削的目的,以提高零件表面質(zhì)量及加工效率。精加工側(cè)面時(shí),由于切寬小,刀齒每轉(zhuǎn)過(guò)一周的切削時(shí)間很短,即冷卻時(shí)間很長(zhǎng)。在冷卻充分的情況下,其切削溫度能得到有效地控制,因而可以大幅提高切削速度來(lái)提高加工效率,如圖2、圖3所示。用PVD涂層的整體硬質(zhì)合金銑刀或超密齒硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)
行鈦合金的高速切削精加工,可以大幅提高加工效率和加工精度。
(5)仿真優(yōu)化技術(shù):鈦合金結(jié)構(gòu)零件在粗加工時(shí)切削余量會(huì)不斷變化。目前的CAM軟件所編制的NC程序往往只能設(shè)置固定的切削參數(shù),為了避免局部程序由于切削量過(guò)大造成對(duì)刀具、機(jī)床的沖擊,通常方法是通過(guò)降低整體切削參數(shù)來(lái)保證刀具壽命和零件質(zhì)量,從而加工效率極為低下。Vericut的仿真優(yōu)化技術(shù)則可很好地解決該問(wèn)題。通過(guò)Vericut軟件設(shè)置切削參數(shù)優(yōu)化庫(kù),并用軟件進(jìn)行仿真,通過(guò)仿真對(duì)實(shí)際加工余量和切削條件進(jìn)行猜測(cè),根據(jù)加工余量和切削條件對(duì)程序中的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。既延長(zhǎng)了刀具壽命,保證了零件質(zhì)量,也提高了加工效率。