数控加工技术在钛合金材料加工中的应用研究

引言

钛合金在工程机械等诸多领域有着非常广泛的应用 , 具有强度高 、 质量小 、 抗腐蚀性和力学性能优良的特点 。 在实际应用过程中 ， 钛合金材料的加工 ， 特别是铳削加工一直是人们重点研究的内容 。

1、钛合金材料的性能特点及具体应用

钛合金材料较为突出的性能特点是本身的强度非常高 , 能够承受 1500 MPa 的压力 ， 同时密度只有4.5 g/cm 3 。 其次是钛合金材料在300 〜 500℃具有良好的热稳定性 ， 对比常见的铝合金材料 ， 其强度大于10倍甚至更多 。 再次是钛合金材料具有较强的抗蚀性 ， 长时间处于空气湿度较大和碱性介质中 ， 其抗蚀性 、酸蚀以及抵抗应力腐蚀等方面比不锈钢材料更加优异 。 钛合金的化学活性较为突出 , 和空气中的 O2 、 CO2 和 H等物质元素接触后 ， 可以形成强大的化学反应 ， 加温到 600℃时 ， 会表现出剧烈的吸氧特性 ， 生成一种硬度非常高的硬化层 。 钛的导热性较差 ， 其导热系数也是比较低的 ， 只有铁的 1/5 , 镍的 1/4 。 钛合金材料的导热系数则更低 ， 相比纯钛的导热系数只达到了其 1/2

的水平 。

2、 数控加工技术应用于钛合金材料加工的具体实例

2.1 光学镜筒零件介绍及加工内容

在利用数控技术进行钛合金光学镜筒的加工过程中 ， 由于此项加工作业对精度要求比较高 ， 必须要做好相关数据参数的控制工作 ， 还要保证良好的密封性和强度 。 加工使用的是钛合金TC4材料,这种材料属于 （α + β ） 型钛合金 ， 综合力学性能比较优异 。 在实际操作过程中 ， 利用数控铳削外形圆弧 ， 下端面减重腔 、 右端面减重腔及密封槽 、 外形斜筋及减重腔 。 与此同时 ， 为确保设计基准和工艺基准与加工进准之间的良好统一性要求 ,应在圆柱和右端面中心点位置设置加工基准 。

2.2 钛合金的切削加工难点

（ 1 ） 由于其具有的弹性模量较低 ， 有着较为明显的弹性变形情况 ， 和后刀面位置距离较近处的工件表面存在着非常大的回弹量 , 进而在后刀面和加工表面这两处地方 , 都有着较大的接触范围 ， 严重影响数控刀具使用寿命 。

（ 2 ） 由于钛合金材料本身的导热系数较低,在进行切削加工时需要设置很高的温度 。 切削位置和刀具的接触具有特殊性,造成刀具附近范围内聚集很多的热量 ， 并且这些热量无法快速散发出去 。

（ 3 ） 钛合金材料的硬度非常高 ， 塑性比较低 ， 增大剪切角时 ，前刀面和切削位置要避免长时间接触 ， 避免因前刀面位置产生较大切削力而造成严重的刀具崩刃现象 。

（ 4 ） 在加工过程中 ， 钛合金材料表面会出现显著的硬化现象 。 由于钛的活性非常高 ， 可以与空气中的许多元素和物质产生一定的化学反应 ， 增加表层部位脆性和硬度 。 特别是在高温环境中进行加工作业 ， 会出现氧化硬层,造成局部应力的增大和材料疲劳强度的明显降低 ， 严重破坏和影响刀具结构的稳定性 。

（ 5 ） 钛合金的切削加工作业存在严重的粘黏现象 ， 刀具在对材料表面进行切削和走刀过程中 ， 出现粘刀现象,影响加工质量和刀具寿命 。

（ 6 ） 对钛合金材料的斜面倾角进行加工作业时 ， 存在较为突出的过切问题 。 结合使用高精加工措施后 ， 型腔中的一些位置存在着不光滑的问题 。 如果沿着型腔轮廓存在一条刀路 ， 则会顺利解决这个问题 。

（ 7 ） 钛材料加工的密封槽是一项难点内容 。 铳削操作中 ， 在切削厚度方面 ， 其每个刀齿的尺寸较小 ， 受到切削厚度较薄的限制 ， 切削时需要对刀具进行一定刃磨 ， 才能展开切削加工作业 。在径向角度 ， 刀具受到切削力的作用 ， 会大大增加刀具弯曲的概率 ， 进而降低其使用寿面和结构强度 。 同时在此部位出现啃刀情况 ， 会影响密封槽的密封性能 ， 最终造成零部件彻底报废 。

3、针对钛合金材料加工问题的相关解决措施

3.1 优化切削参数

在加工切削过程中 ， 适当调整降低切削速度,能够有效提高加工质量 。 较小的进给量能够显著提高表面粗糙度 ， 进而控制弹性变形现象的出现 ， 但是受到钛合金材料的氧化硬层问题的影响 , 如果进给量不大 ， 刀具会长时间处在硬化层切削加工中 , 进而加剧刀具的磨损程度 。 采用增大背吃刀量 ， 优化切削参数信息的方式 , 避免磨损和破坏刀具 ， 延长刀刃有效工作时间 。

3.2 切削液的配制

在切削液体的选择方面 ， 人们可以使用不含氯的水溶乳化液 ， 避免对材料加工表面位置造成腐蚀 。 在进行粗加工时 ， 利用切削液充分吸收并排放出产生的热量 ， 增强切削刃的整体强度 。

在保证冷却效果的同时也能降低磨损程度 ， 根据合理比例配制成 5% 的溶液 。 在精加工过程中 , 借助切削液 , 能够提高表面加工质量 ， 对前刀面和摩擦角形成有力控制 ， 通过增大剪切角的方式来降低铳削力 ， 起到显著润滑效果 ， 根据比例配制成 10% 的浓度 。

3.3 密封槽的加工

在钛合金材料的密封槽加工过程中 ， 可以利用钻削方法来对材料进行去除 。 在实际操作中 ， 刀具按照 Z 轴固定方向展开进给移动 ， 在轴之间做间隙运动 ， 能够实现对材料大量快速去除的目的 。 较小的侧向力能够有效避免材料的变形问题 。 后刀面和加工表面存在较小的摩擦作用 ， 提高了切削速度 ， 能够提高数控机床的加工效率 ， 在保证刀具能够正常使用的同时还能减少成本和资源的投入 。

4、钛合金加工刀具技术研究

针对钛合金材料不易加工的问题 ， 刀具技术是重点研究内容之一,刀具的质量和使用性能决定加工材料的质量与加工效率 。

4.1 刀具钝化技术

钛合金材料的加工需要非常锋利的切削刃 ， 过度锋利导致刀刃发生崩刃 。 针对这一问题 ， 人们在对此类刀具的设计和制造过程中 ， 一般都采用刀具钝化技术 ， 保护切削刃 。 国外有关国家对刀具钝化技术的研究比较深入 ， 借助有限元仿真技术,综合分析刀具刃口半径给切削加工造成的影响 。 例如 ， 刀具刃口半径会对高速钢铳刀片的抗磨损能力造成何种程度的影响等 。 国内一些机构和人员在此方面也有试验和研究 ， 但是研究工作主要集中在刀片刃口的钝化方面 。 对于整体刀具的刃口钝化功能的技术和相关参数优化创新设计等方面的工作 ， 还没有形成系统的研究和发展内容 。

4.2 新型结构刀具的应用

针对刀具的结构做一定的创新和优化 ， 是实现刀具切削性能稳定提升的有效方法 。 利用先进的刀具结构 ， 能够充分发挥刀具材料和涂层的巨大作用 ， 显著增强刀具的切削性能 。 特别是随着数控机床加工技术的发展 ， 刀具的重要性愈加明显 。 国内外许多刀具设计制造机构和厂商加强了对刀具结构设计研究的力度,诞生了许多用于钛合金材料加工的刀具 。 例如 ， 对于钛合金材料构件具有的深腔薄壁等特征 ， 日本黛杰工业株式会社设计和发明出具有可换功能的模头系列刀具 ， 刀具包含高性能可换刀头和超强硬杆 ， 在进行悬长较大的加工作业中,具有显著抑制振动的功能和使用效果 。 对比传统钢制刀杆 ， 其对材料加工的整体效率提高了将近 3 个等级 ， 有效节省了加工时间 。 世界著名的金属切削刀具及切削技术的供应商 一 以色列伊斯卡公司 ， 设计制造的精加工波形刃立铳刀将粗铳刀和精铳刀有效整合到一起 ， 构成一把刀 ， 具有 2 个螺旋波形粗加工刃和 2 个螺旋光滑精加工刃 。 利用粗加工的切削数据能够做到精加工的效果 ， 其表面质量也符合精加工的标准 。 利用一把铳刀就能实现快速切除功能 ， 并且可以及时排出这个过程产生的长短 2 种混合切屑 ， 可以在钛合金材料整体构件的型腔铳削加工作业中得到大范围推广和应用 。 刀具的基体材料 、 涂层和结构等,是有效增强刀具的切削性能并完成精加工的重要影响条件 。 分析和研究钛合金加工新型刀具材料的过程中 ， 需要提高对刀具结构创新的重视程度 。

现阶段 ， 针对微结构 ， 如减振韧带和刃口强化结构等一些方面内容 ， 缺少相关研究和创新。 同时在理论研究的基础上 , 结合仿真分析和试验同刀具结构进行合理的优化改进设计 ， 是未来钛合金加工刀具技术主要发展方向和内容 。

5、钛合金整体结构件高速高效加工工艺理论研究

5.1 走刀路径和走刀方式研究

对走刀路径进行合理设置 ， 能够保证钛合金整体结构件的加工精度 。 针对设置有定位功能的表面 ， 应利用由内向外的铳削方式 ， 进而得到一个呈内凹形状的微观结构 ， 增强定位精度和效果 。 同时针对一些具有单元框结构的钛合金构件 , 为实现均匀去除材料的目的 ， 人们应利用由外向内或由内向外的铳削方式 ， 充分释放出材料上的应力 ， 确保构件在刚度方面有着良好的均衡性 ， 避免出现加工变形问题 。 对具有薄壁结构的构件做加工处理时 ， 应根据实际情况选择对应的走刀方式,保证加工的精度和质量 。 人们可以利用吃水线走刀方式,从薄壁的两侧位置实施交互进刀操作,这样在切削时 ， 薄壁的两侧位置就能形成稳定的支撑结构 ， 同时借助构件本身刚度 ， 进一步提高加工精度 。

5.2 加强插铳技术在钛合金加工中的应用研究

利用插铳技术优势 ， 促进钛合金材料加工作业的高效进行 。

针对插铳技术主要有以下几种应用场景 。 首先是对浅宽凹腔的加工作业 ， 能够有效避免深切立铳刀的加工缺陷 。 其次是对窄深凹腔的加工作业 ， 能够有效避免立铳刀需要在走刀步骤耗费较长加工时间而无法展开切削的问题 。 最后是针对构件的拐角位置展开插铳加工作业 ， 能够对全部的单元框展开插铳加工 ， 进而保证加工质量和效率 。

5.3 基于切削稳定性工艺参数优化研究

在钛合金材料加工切削过程中,经常会产生振动问题 ， 对加工的表面质量和稳定性造成一定影响 。 保证加工的稳定性能够提高刀具寿命 ， 维持较高的数控机床精度 。 因此在钛合金材料展开加工工艺参数优化操作时 ， 人们需要充分考虑机床 、 刀具和工件的一些动态特征 。 在确保切削稳定性的基础上,完成工艺参数的相关优化工作 。 此外 ， 还应该重点关注工件受材料去除不断变化影响的刚度时变特征 。 钛合金整体结构的材料去除率能够达到 90% 的水平 ， 这对钛合金材料的高速高效切削加工作业提出了更加苛刻的标准和要求 。

6、结语

在利用数控加工技术对钛合金材料加工的过程中 ， 人们需要综合考虑到钛合金材料的性能特点 。 针对钛合金的切削加工难点 ， 制定有效解决和改进措施 ， 加强对加工刀具的设计和研究 , 在保证加工精度和质量 、 不损坏刀具的基础上 , 完成加工作业 。 人们应提高对于一些先进的加工工艺理论研究的重视程度 ，加大资金和资源投入 ， 提高我国在数控加工领域的实力 。

参考文献

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【2】张宪 . 钛合金 航空零 件铳削加工刀具 ［ J ］ . 工具展 望 , 2006(5 ) ： 19-21.