鈦合金以其強度高、機械性能好和耐腐蝕性能強等特點在航空制造業(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)件的低加工效率嚴重制約了現(xiàn)代飛機的批量生產(chǎn)。實現(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

鈦合金具有機械性能好、抗腐蝕性能強以及比重小等特點。但是在加工中，鈦合金的切削加工性能很差，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 大切削力。鈦合金材料強度高，在切削時產(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。

02
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。鈦合金強度高，加工中切削力非常大，鈦合金加工機床的一個明顯特點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。

03
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力切削時避免振顫、減小切削力和降低切削溫度等方面進行改進：

04
鈦合金高效加工刀具

（1）鈦合金面銑加工：對鈦合金零件進行面銑加工時，采用小切深、大進給的銑削方式獲得高效加工。大進給銑削的原理是通過減小刀具主偏角，使刀具在很高的進給下仍然能保持很小的切屑厚度，以減小高進給時的切削力，實現(xiàn)在低切削速度下獲得很大的進給量，增加單位切深下的金屬切除率。同時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)件的一個主要特征，材料去除率高，工作量大，因此槽腔加工是實現(xiàn)鈦合金零件高效加工的關(guān)鍵(見圖1)。大切深、低轉(zhuǎn)速、低進給的強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)：為減輕飛機重量，飛機結(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，利用銑削的斷續(xù)性來達到高速切削的目的，以提高零件表面質(zhì)量及加工效率。精加工側(cè)面時，由于切寬小，刀齒每轉(zhuǎn)過一周的切削時間很短，即冷卻時間很長。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

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，并用軟件進行仿真，通過仿真對實際加工余量和切削條件進行猜測，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。