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實(shí)用干貨--鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的高效數(shù)控加工

航空航天 加工中心

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)控加工效率對航空制造企業(yè)的影響也越來越大。

鈦合金屬于難加工材料，其相對切削性為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。
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一、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。

二、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：
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。

三、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)：

四、鈦合金高效加工刀具


1、鈦合金面銑加工：對鈦合金零件進(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。

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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，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)銑削振動小，走刀方式去除轉(zhuǎn)角余量的效率高。通過不同直徑的插銑刀具對轉(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)過一周的切削時(shí)間很短，即冷卻時(shí)間很長。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。
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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大造成對刀具、機(jī)床的沖擊，通常方法是通過降低整體切削參數(shù)來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題。通過Vericut軟件設(shè)置切削參數(shù)優(yōu)化庫，并用軟件進(jìn)行仿真，通過仿真對實(shí)際加工余量和切削條件進(jìn)行猜測，根據(jù)加工余量和切削條件對程序中的切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。既延長了刀具壽命，保證了零件質(zhì)量，也提高了加工效率。
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