航空航天鈦合金零件的銑削加工
發(fā)布時(shí)間：2021-01-30
在許多航空航天應(yīng)用中，鈦及其合金正在取代傳統(tǒng)的鋁合金。如今，航空航天業(yè)消耗的鈦材料約占全球生產(chǎn)總量的42%，并且從現(xiàn)在到2010年，預(yù)計(jì)對(duì)鈦材料的需求將繼續(xù)以兩位數(shù)的速度增長。新一代飛機(jī)需要充分利用鈦合金提供的性能，無論是商用機(jī)還是軍用機(jī)市場，都正在推動(dòng)對(duì)鈦合金的需求。波音787、空客A380、F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)、F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)(也稱為閃電Ⅱ)等新機(jī)型都采用了大量鈦合金材料。鈦合金材料的優(yōu)勢鈦合金具有高強(qiáng)度、高斷裂韌性以及良好的抗腐蝕性和可焊接性。隨著飛機(jī)機(jī)身越來越多地采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，鈦基材料用于機(jī)身的比例也將日益增大，因?yàn)殁伵c復(fù)合材料的結(jié)合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金。例如：與鋁合金相比，鈦合金可使機(jī)身結(jié)構(gòu)的壽命提高60%。
鈦合金極高的強(qiáng)度/密度比(達(dá)20:1，即重量可減輕20%)為減輕大型構(gòu)件的重量(這是對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)師的主要挑戰(zhàn))提供了解決方案。此外，鈦合金固有的高耐蝕性(與鋼材相比)可以節(jié)省飛機(jī)日常運(yùn)行和維護(hù)保養(yǎng)的成本。
用X-Grade刀片技術(shù)加工各種鈦合金的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片用Allvac公司Ti-5-5-5-3鈦合金制造的機(jī)身構(gòu)件。粗銑用大進(jìn)給面銑刀，精銑使用整體硬質(zhì)合金立銑刀內(nèi)部整合產(chǎn)生新的解決方案阿勒根尼技術(shù)公司(Allegheny Technologies)是一家多領(lǐng)域制造商，旗下業(yè)務(wù)部門既包括金屬冶煉又包括金屬切削，這兩個(gè)領(lǐng)域的結(jié)合使該公司在開發(fā)先進(jìn)材料(如鈦合金)加工新方法方面具有優(yōu)勢。
斯特拉姆(ATI Stellram)公司是阿勒根尼技術(shù)公司旗下ATI金屬加工產(chǎn)品公司的一個(gè)業(yè)務(wù)部門，它負(fù)責(zé)對(duì)由ATI Allvac公司開發(fā)的所有新材料進(jìn)行加工性能試驗(yàn)，以確定最佳的刀片設(shè)計(jì)、刀具幾何結(jié)構(gòu)、基體與涂層結(jié)構(gòu)以及切削參數(shù)，使這些新材料在公開上市銷售之前能對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效地加工。此外，作為Allvac的代表，斯特拉姆是主要的航空制造企業(yè)和一流的航空機(jī)械零部件供應(yīng)商，可以滿足對(duì)工件材料和切削刀具兩方面的共同需求。
對(duì)材料固有結(jié)構(gòu)的全面認(rèn)識(shí)使斯特拉姆公司在刀具基體獨(dú)特配方的設(shè)計(jì)上具有優(yōu)勢，其成果之一是X-Grade技術(shù)，斯特拉姆稱，該技術(shù)已被證明是加工難加工材料的一種可靠方案。通過研究和開發(fā)X-Grade技術(shù)，產(chǎn)生了一種新的硬質(zhì)合金牌號(hào)，它可在不穩(wěn)定的加工條件下以極高的金屬去除率有效切削難加工材料。X-Grade刀片技術(shù)(基體及涂層)X-Grade刀片采用了釕/鈷合金基體，可以抵抗熱裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，并可獲得較高的金屬去除率。該基體具有較強(qiáng)的晶體結(jié)合矩陣結(jié)構(gòu)，從而改善了切削刃的韌性。據(jù)斯特拉姆稱，該基體材料與新的刀具幾何形狀和涂層相結(jié)合，可為加工航空合金提供卓越的刀具組合。采用X-Grade刀片可以實(shí)現(xiàn)：①金屬去除率提高1倍；②刀具壽命增至3倍；③加工表面光潔度提高30%。
可供選用的X-Grade刀片包括3種牌號(hào)(X400、X500和X700)，每一種刀片都是針對(duì)特定的難切削加工而設(shè)計(jì)的。它們可采用標(biāo)準(zhǔn)的刀片型式，大多可安裝在標(biāo)準(zhǔn)刀體的刀片槽內(nèi)。但斯特拉姆稱，最佳方案是采用專門設(shè)計(jì)的刀具以優(yōu)化X-Grade刀片的性能。這些刀具的刀槽設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)最大限度的排屑、強(qiáng)化的槽型和最佳的冷卻。該系列的兩種刀具包括：①7710VR防轉(zhuǎn)鈕扣銑刀：配圓刀片并帶有防止刀片在大進(jìn)給率切削時(shí)發(fā)生位移的專利鎖緊轉(zhuǎn)位系統(tǒng)；②7792VX高進(jìn)給銑刀：與傳統(tǒng)刀具相比，金屬去除率可提高1倍。除高進(jìn)給表面銑削外，7792VX系列刀具還可用于銑凹腔、銑槽和插銑，由于切削力直接沿軸向傳入主軸，因此可減小主軸摩擦，提高切削穩(wěn)定性。
需要更大加工能力
由于比普通合金鋼的加工更為困難，因此通常認(rèn)為鈦合金屬于難加工材料。典型鈦合金的金屬去除率僅為大多數(shù)普通鋼或不銹鋼的25%左右，因此加工一個(gè)鈦合金工件需要花費(fèi)的時(shí)間約為加工鋼件的4倍。
為了滿足航空制造業(yè)對(duì)鈦合金加工日益增長的需求，制造商需要增加生產(chǎn)能力，因此需要更好地理解鈦合金加工策略的有效性。典型的鈦合金工件的加工是從鍛造開始的，直到80%的材料被去除而獲得最終的工件外形。
隨著航空零部件市場的快速增長，制造商們已經(jīng)感到力不從心，加上因鈦合金工件加工效率較低而增加的加工需求，導(dǎo)致鈦合金加工能力明顯處于緊張狀態(tài)。一些航空制造業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)甚至公開質(zhì)疑現(xiàn)有的機(jī)械加工能力能否完成全部新型鈦合金工件的加工任務(wù)。
由于這些工件通常是由新型合金制成，因此需要改變加工方式和刀具材料。鈦合金Ti-6Al-4V鈦合金有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：a鈦合金、a-b鈦合金和b鈦合金。商用純鈦和a鈦合金不能進(jìn)行熱處理，但通常具有良好的可焊接性；a-b鈦合金可進(jìn)行熱處理，大多數(shù)也具有可焊接性；b和準(zhǔn)b鈦合金完全能進(jìn)行熱處理，且一般也具有可焊接性。
用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身構(gòu)件的大部分普通a-b鈦合金為Ti-6Al-4V(Allvac Ti-6-4，簡稱Ti-6-4)，本文用Ti-6-4代表ATI Allvac公司生產(chǎn)的鈦合金，該公司是鈦合金的主要供應(yīng)商(原編者注：最近與波音公司簽訂了一項(xiàng)25億美元的鈦合金長期供貨合同)。另外，與ATI Allvac公司合作開發(fā)加工解決方案的ATI Stellram公司也采用這些鈦合金代號(hào)來描述加工要求。
Ti-6-4具有優(yōu)異的強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞綜合性能，可制成各種產(chǎn)品形態(tài)。退火態(tài)的Ti-6-4可廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件。通過化學(xué)成分的微小變化以及不同的熱機(jī)械處理工藝，用Ti-6-4可生產(chǎn)出各種不同用途的零部件。鈦合金Ti-5Al-5V-5Mo-3CrTi-5Al-5V-5Mo-3Cr(簡稱Ti-5-5-5-3)是一種頗具市場影響力的新型鈦合金。與b鈦合金和a-b鈦合金相比，這種準(zhǔn)b鈦合金可以提供在要求更高抗張強(qiáng)度的飛機(jī)構(gòu)件應(yīng)用中所需的疲勞斷裂韌性。
與傳統(tǒng)鈦合金(如Ti-6-4和Ti-10-2-3)相比，Ti-5-5-5-3具有的可鍛造成復(fù)雜形狀、熱處理后最終抗張強(qiáng)度可達(dá)1.241kPa(180ksi，每平方英寸數(shù)千磅)等性能使其成為制造飛機(jī)高級(jí)構(gòu)件和起落裝置最有前途的材料。
通過在b轉(zhuǎn)變溫度以下進(jìn)行溶解熱處理或在b轉(zhuǎn)變溫度以上進(jìn)行退火處理，同時(shí)適當(dāng)控制顯微結(jié)構(gòu)中的晶粒尺寸和沉淀，Ti-5-5-5-3可獲得優(yōu)異的機(jī)械性能。b轉(zhuǎn)變溫度是合成物的特定溫度，在此溫度下合金從a-b顯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿玝顯微結(jié)構(gòu)。
化學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的變化使鈦合金可獲得寬范圍的性能組合，并因此在航空構(gòu)件中獲得廣泛應(yīng)用。Ti-5-5-5-3的加工難度與Ti-6-4相比大約增加了30%，因此應(yīng)用這種新型合金的零件制造商正致力于開發(fā)能夠不縮短刀具壽命、不延長生產(chǎn)周期的相應(yīng)的加工工藝。
加工鈦合金時(shí)，材料硬度是一個(gè)關(guān)鍵因素。如果硬度值太低(<38HRC，鈦合金會(huì)發(fā)粘，切削刃容易產(chǎn)生積屑瘤。而硬度值較高(>38HRC)的鈦合金會(huì)對(duì)刀具材料產(chǎn)生磨蝕作用并使切削刃磨損。因此，正確選擇加工速度、進(jìn)給量和切削刀具至關(guān)重要。對(duì)切削刀具的要求為了滿足生產(chǎn)成本、加工質(zhì)量和按期交貨等方面的要求，新的工件材料和零件設(shè)計(jì)給航空零部件制造商增加了壓力。這些新材料的加工改變了對(duì)切削刀具的要求，提高金屬去除率、刀具壽命、產(chǎn)品質(zhì)量和可預(yù)期的刀具無破損壽命對(duì)于高效、安全的加工至關(guān)重要。“難加工”是一個(gè)相對(duì)的概念，通過切削刀具與加工參數(shù)的正確組合，也能獲得高效的生產(chǎn)率。
在加工航空級(jí)鈦合金工件時(shí)，切削刀具制造商通過增加基體密度、設(shè)計(jì)特殊的刀具幾何形狀、采用精確的切削刃研磨技術(shù)以及開發(fā)新的涂層技術(shù)以控制刀—工界面產(chǎn)生的切削熱等方法，大大提高了刀具的性能。
在銑削加工中，鈦合金的一個(gè)重要特性就是熱傳導(dǎo)性極差。由于鈦合金材料的高強(qiáng)度和低熱傳導(dǎo)率，加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生極高的切削熱(如果不加控制可高達(dá)1200℃)。熱量不是隨切屑排出或被工件吸收，而是聚集在切削刃上，如此高的熱量將大大縮短刀具壽命。
采用特殊的加工技術(shù)，就有可能提高刀具性能與壽命(采用正確的加工技術(shù)控制溫度，可將溫度降低到250～300℃)。減少熱量生成減小刀具與工件的徑向和軸向接合可以控制切削熱的產(chǎn)生。對(duì)于鈦合金而言，在因過熱而產(chǎn)生積屑瘤之前，對(duì)速度、進(jìn)給量、徑向和軸向接合的調(diào)整期限很短。為了達(dá)到適當(dāng)?shù)牡毒邏勖庸も伜辖鹬恍枳畲?5%的“接合弧長”，與之相比，加工普通鋼材時(shí)接合弧長為50%～100%(圖1a)。減少接觸弧長可以提高切削速度，在不損失刀具壽命的前提下提高金屬切除率(圖1b)。
圖1 鈦合金與普通鋼相比，接觸弧長由50%～100%減少至15%采用切入角為45°的刀具或減薄切屑，可增加刀具切削刃與切屑的接觸長度，從而減少局部高溫，延長切削刃壽命，同時(shí)也允許采用更高的切削速度。
圖2 用小于或等于45°的主偏角減薄切屑。這也增加了切屑與切削刃的接觸長度在鈦合金加工中，刀體和刀片必須是大的正前角以減少切削阻力并減少振動(dòng)。
刀片幾何尺寸設(shè)計(jì)
切削鈦合金時(shí)，采用外周磨削刀片對(duì)于最大限度地減小切削壓力以及與被加工表面的摩擦力至關(guān)重要。刀片幾何角度必須采用正角，但這還不足以確保獲得最佳性能。如果為了增強(qiáng)切削刃的第一部分而采用強(qiáng)度較高的小初始角，那么采用較大的次級(jí)角(以獲得較大的正倒棱)對(duì)于增強(qiáng)刀片抗壓性和延長刀具壽命是最佳的幾何設(shè)計(jì)。
此外，輕微的鈍化也有助于保護(hù)切削刃，但鈍化尺寸必須與切削過程相協(xié)調(diào)并保持嚴(yán)格的公差。加工鈦合金時(shí)，需要利用鋒利的切削刃剪切材料，但切削刃過于鋒利容易導(dǎo)致崩刃而縮短刀具壽命。適當(dāng)?shù)拟g化可保護(hù)切削刃，避免過早崩刃。正確的刀片幾何參數(shù)可減小對(duì)刀具材料的應(yīng)力和壓力，使刀具獲得更長的壽命和提高加工效率。
刀體和刀片的切削角必須是正角，以獲得累進(jìn)切削效應(yīng)，并避免切削時(shí)對(duì)整個(gè)切削刃產(chǎn)生沖擊而無法獲得期望的剪切效果。如果不這樣做，工件結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變形，使加工無法進(jìn)行。
來源：搜鈦網(wǎng)
“寶雞盛輝鈦業(yè)有限公司，主營各種規(guī)格鈦棒、鈦加工件、鈦異形件；我們鈦棒的材料選用優(yōu)良材質(zhì)，符合標(biāo)準(zhǔn)，不偷工減料；我們鈦棒的規(guī)格多樣滿足您的需求；我們鈦棒的表面光滑、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無凹凸、耐酸、耐堿、耐腐蝕、無裂紋。我們的目標(biāo)是以優(yōu)異的產(chǎn)品、可靠的質(zhì)量、優(yōu)越的終身效能費(fèi)用比和有效的服務(wù)，滿足顧客日益增長的需要，質(zhì)量是我們的自尊心。我們的生產(chǎn)理念：質(zhì)量至上、用戶滿意、精益求精、務(wù)實(shí)創(chuàng)新。”
來源：搜鈦網(wǎng)
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