中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì) 高級(jí)會(huì)員 沈福金

鈦和鈦合金加工技術(shù)的發(fā)展近況

The trends of titanium and titanium alloys machining technology

中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì) 高級(jí)會(huì)員 沈福金

在航空、航天工業(yè)部門，用輕質(zhì)材料的輕型結(jié)構(gòu)件越來越多。輕質(zhì)材料除鋁合金外，主要是鈦、鈦合金和碳素纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料 （以下簡(jiǎn)稱CFK）及銦康鎳合金 （Inconel）等。鈦和CFK的應(yīng)用日趨廣泛，如在空客A-330飛機(jī)上鋁構(gòu)件的重量占比仍達(dá)70%，而在A-350 XWB飛機(jī)上，鋁構(gòu)件則減少為20%，CFK由5%提高到50%以上。但由于CFK和鋁之間的電化學(xué)電位差大的原因，這兩種材料的接觸部位很容易產(chǎn)生腐蝕作用。而用鈦合金代替鋁時(shí)，這種引起腐蝕的電位差降低約80%，顯然在接觸部位鈦勝過作為輕金屬的鋁。因此，飛機(jī)制造商要求在接觸部位盡可能用鈦件替代鋁件。結(jié)果在新機(jī)型中，鈦制零件從5%增加到14%以上，具體在波音B-787和空客A-350飛機(jī)上，鈦合金構(gòu)件所占比例在15%～20%之間。

由于鈦和鈦合金具有重量輕、強(qiáng)度如鋼、比重只有一半，且堅(jiān)固、韌性好、抗腐蝕、熱穩(wěn)定性好等非凡的特性，在航空和航天工業(yè)、生物醫(yī)藥，以及化學(xué)和石油工業(yè)中應(yīng)用廣泛。特別是在開發(fā)新飛機(jī)時(shí)，除CFK應(yīng)用增多外，由鈦或鈦合金制造的主要輕型結(jié)構(gòu)件也越來越多，如飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件、起落架構(gòu)件或渦輪機(jī)部件等都是由鈦或鈦合金制作的，所以，航空部門以70%以上的消費(fèi)量構(gòu)成鈦產(chǎn)品的最大市場(chǎng)。而歐洲有專家估計(jì)，金融危機(jī)后的未來20年，世界主要飛機(jī)制造商將提供25000架客機(jī)和貨機(jī)?？梢?，CFK件以及鈦和鈦合金件的切削加工數(shù)量會(huì)快速增加。尤其是為了減小內(nèi)應(yīng)力，鈦或鈦合金部件通常是由整塊材料雕銑加工而成的。在飛機(jī)工業(yè)中，鈦結(jié)構(gòu)件的切除率可達(dá)90%以上。據(jù)報(bào)道波音B-787飛機(jī)的90多噸的鈦合金毛坯件，經(jīng)切削加工成成品結(jié)構(gòu)件后的總重量不足11t，可見切除量之大。鈦材料的高強(qiáng)度、耐磨、耐高溫等使用性能的優(yōu)點(diǎn)很突出。但其可切削性差，加工困難，加工費(fèi)用較高。盡管如此，鈦在飛機(jī)制造中，現(xiàn)在已是不可或缺的材料。如何提高鈦合金件的加工效率、降低制造成本的研究探索一直沒有停止，并不斷取得進(jìn)展。

大家知道，鈦合金材料的可切削性能很差，這是由于其彈性模量低、切削力大和導(dǎo)熱性差的緣故。尤其是因?qū)嵝圆?，鈦合金切削加工時(shí)的大部分熱量都留給了刀具，而不像鋁切削加工時(shí)那樣，75%以上的切削熱由切屑帶走了。這意味著刀具的熱負(fù)荷巨大，刀刃上的高溫，再加上溫度梯度大而導(dǎo)致刀刃上熱應(yīng)力增大，最終使刀具損壞。為了降低制造成本，提高切除率即單位時(shí)間內(nèi)的切除量是常用的方法，但用在加工鈦材料上就不那么簡(jiǎn)單了。在飛機(jī)制造中，許多鈦合金構(gòu)件常用的加工方法是型腔銑削，加工質(zhì)量是頭等重要的。因此，鈦加工對(duì)機(jī)床、刀具和加工策略都提出了特殊要求。不同的結(jié)構(gòu)件自然要用不同的加工策略，但對(duì)機(jī)床和刀具提出了許多特殊要求，必須通盤考慮，予以解決。

我國(guó)航空、航天工業(yè)的快速發(fā)展，也要在生產(chǎn)中解決CFK和鈦合金之類難加工材料的加工難題。現(xiàn)在僅就鈦或鈦合金的加工特點(diǎn)和加工技術(shù)方面的發(fā)展情況歸納探討如下。

一、鈦合金加工對(duì)機(jī)床的要求

鈦合金的特性是強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差。為了能達(dá)到像加工鋁那樣的切削效率，要盡可能提高切削參數(shù)，即加大進(jìn)給和切深，從而導(dǎo)致加工切削力增大，這可能引起工件和刀具之間產(chǎn)生靜態(tài)偏差，進(jìn)而引起零件的形狀精度變壞或加工過程不穩(wěn)定，還會(huì)加快刀具的磨損。為此，用于鈦合金加工的機(jī)床必須具有大功率和盡可能好的靜、動(dòng)態(tài)特性 （靜、動(dòng)態(tài)剛度高）；還需要配備相應(yīng)的高壓冷卻潤(rùn)滑設(shè)備，以便在低轉(zhuǎn)速、大扭矩加工情況下及時(shí)清除切屑，以減少刀具磨損和減少加工過程中產(chǎn)生的熱量傳給刀具。為了提高機(jī)床的剛度，一些機(jī)床制造商采用箱中箱結(jié)構(gòu)或封閉式框架的焊接鋼結(jié)構(gòu)；進(jìn)給軸用大功率進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)和高剛度無間隙導(dǎo)向系統(tǒng)，到了加工位置能夾緊，以進(jìn)一步提高機(jī)床剛度；此外，還必須提高包括主軸-刀具-連接部位，以及刀柄夾持器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)在加工過程中的剛度。

除了靜態(tài)剛度外，機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于卓有成效的鈦合金加工也是起決定性作用的?？刂萍庸み^程的穩(wěn)定性是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。如果機(jī)床的剛性低和阻尼特性差，由于切削過程中切削力大、轉(zhuǎn)速較低和激振頻率與機(jī)床自身固有頻率相近等動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，可能出現(xiàn)自激振動(dòng)，導(dǎo)致加工過程振顫。這種顫振除了影響工件表面質(zhì)量 （有振紋）外，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)、刀具主軸和刀具產(chǎn)生過載而受損，刀具磨損增大甚至斷裂。加工過程的穩(wěn)定性主要取決于所選用的主軸轉(zhuǎn)速、切深等參數(shù)。使用者要了解機(jī)床的性能和可能達(dá)到的極限切深，還可以主動(dòng)積極地對(duì)機(jī)床采取諸加消振墊、在機(jī)床控制裝置里預(yù)先置入?yún)?shù)避開極限切深小的轉(zhuǎn)度范圍等防振措施，以進(jìn)一步提高機(jī)床的抗振性。

鈦合金的切削加工屬于強(qiáng)力切削，所以機(jī)床刀具主軸要有大的驅(qū)動(dòng)功率，具有大功率強(qiáng)力切削功能。在航空工業(yè)中，鈦合金構(gòu)件的加工以型腔銑削居多，為便于切屑清除，要管理好冷卻潤(rùn)滑裝置，使大量高壓冷卻潤(rùn)滑劑直接噴向刀具切削刃。這樣，一方面冷卻刀具，另一方面可更好地及時(shí)把切屑沖出加工區(qū)，以免切屑遭多次切割而降低刀具壽命，擦傷加工面。為使機(jī)床具有大功率切削功能，德國(guó)Heller公司有針對(duì)性地設(shè)計(jì)、布置機(jī)床結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)軸結(jié)構(gòu)，并配用了剛度極好的強(qiáng)力切削擺動(dòng)單元安裝刀具主軸，使機(jī)床在垂直、水平和空間任意角度都能產(chǎn)生同樣的切削功率。

一句話，加工鈦金屬的機(jī)床要求大功率、高剛度、配有大流量高壓冷卻裝置，并且還要接近性好。

二、適合鈦合金加工的刀具技術(shù)的最新發(fā)展

由于鈦的導(dǎo)熱性差，切削過程產(chǎn)生的熱量大部分留在了刀具和刀刃上，所以，加工鈦合金是一種條件惡劣的強(qiáng)力切削，刀具對(duì)于鈦合金加工的成功與否，起著不可替代的關(guān)鍵作用。加工鈦合金的刀具必須強(qiáng)度高、耐熱、耐磨損。飛機(jī)制造商希望使用的刀具壽命長(zhǎng)，加工過程安全可靠。這對(duì)于一個(gè)刀具制造商來說，無疑是一個(gè)很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。面對(duì)需求和挑戰(zhàn)，許多刀具開發(fā)者和科研機(jī)構(gòu)及航空航天部門緊密合作，積極研究開發(fā)，大大推動(dòng)了刀具技術(shù)的快速發(fā)展，一批適合切削鈦合金等難加工材料的高性能刀具新產(chǎn)品不斷問世

例如，一個(gè)法國(guó)刀具制造商Safety公司專門為飛機(jī)制造而新開發(fā)的Aerolong和Aerofinish銑刀 （如圖1所示），主要用于飛機(jī)機(jī)身和起落架的深腔粗、精銑削加工。在起落架框架上粗銑深腔時(shí)，也可選用

圖1 法國(guó)Safety公司開發(fā)的最適合加工高強(qiáng)度耐熱材料標(biāo)準(zhǔn)刀具，自左至右Poly-mill面銑刀，Aerolong圓柱平面銑刀，Aerofinish精整加工銑刀

Safety的Penta High-Feed（帶正五角形刀片的大進(jìn)給平面銑刀）大功率銑刀或Orbi-Saf銑刀，精加工時(shí)用新的Aerofinish銑刀。雖然Sefety刀具的刀刃幾何形狀精確，刀具材料為新發(fā)明的大功率切削材料，刀具壽命也很好；但在加工鈦合金材料時(shí)，要提高切削速度和切屑厚度都會(huì)受到技術(shù)限制。若要進(jìn)一步提高生產(chǎn)率，就要用耐磨的刀具材料并增加刀齒布置密度，以增加同時(shí)參與切削的刀刃數(shù)。為此，法國(guó)刀具專家開發(fā)了名為Sidelok的刀片夾緊系統(tǒng)。刀片沒有中心孔，而是用螺釘擰緊的方式使刀片牢固夾緊，因此更穩(wěn)定，并在刀體上可提供多達(dá)2倍的刀片位置。雙倍的刀齒參與切削，直接增大了銑刀每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f，即f為每齒進(jìn)給f z與刀齒數(shù)Z的乘積 (f=f z×z)。這樣，生產(chǎn)率可提高50%。

加工鈦合金 （例如TiAl6V4）或銦康鎳合金 （Inconel 718）可用專門開發(fā)的PVD-TiAlN鍍層的硬質(zhì)合金銑刀，切深4mm，進(jìn)給0.08mm，壽命達(dá)到35min，這就是很好的結(jié)果了。對(duì)于加工銦康鎳合金來說，切削速度達(dá)34m/min就意味著近乎高速切削。為了提高刀具壽命，專為加工航空合金材料而開發(fā)的大功率刀具材料-2003硬質(zhì)合金新品種，命名為“Microform”。通過專門的方法把它制備成粉末并燒結(jié)，再直接壓制成刀片。這樣就制成了優(yōu)異的質(zhì)地均勻、顆粒結(jié)構(gòu)精細(xì)的刀具材料，基質(zhì)非常堅(jiān)硬，維氏硬度大約2000HV，幾乎像剛玉或藍(lán)寶石那么硬。因此，最適合切削難加工材料。用微縮技術(shù)壓制的刀片，材質(zhì)沒有夾雜物，極其柔硬的切削刃呈現(xiàn)很好的熱硬性。

新的Aerofinish航空精加工刀具用于精細(xì)加工性能很突出，Sidelok夾緊系統(tǒng)可多容納1倍刀片，致使切削率大幅提高。用于型腔加工的刀具材料還可用硬質(zhì)合金5020，配以PVD-TiAlN-TiN復(fù)合鍍層，這樣的刀具有很高的柔韌性和熱穩(wěn)定性。為了更好地在加工過程中冷卻刀具，刀具內(nèi)部設(shè)計(jì)有冷卻液通道，乳化液通過夾緊系統(tǒng)的夾緊螺釘直接送到切削刃，每個(gè)可轉(zhuǎn)為刀片都與冷卻通道相連，所以冷卻效果很好。

奧地利的硬質(zhì)合金制造企業(yè)Ceratizit與世界領(lǐng)先的航空、航天企業(yè)共同開發(fā)了一種適合鈦合金切削特殊要求的Maximill 211-20銑刀 （見圖2）。經(jīng)嚴(yán)酷條件下的切削試驗(yàn)表明，該銑刀加工鈦的切削速度大約60m/min,同時(shí)壽命提高20%～100%，部分可達(dá)到200%。大而穩(wěn)固的刀片在切深至19mm時(shí)還能穩(wěn)定地銑削?？赊D(zhuǎn)位刀片是專門為加工鈦、超級(jí)合金和耐熱鋼等難加工材料而設(shè)計(jì)的，刀片鍍以CTC5240超級(jí)鍍層，確保其抗高熱的能力，光滑的表面使切屑很容易滑落，并保護(hù)基體免受磨損和腐蝕。由于縮短了加工時(shí)間，提高了加工過程的可靠性，Maximill 211-20銑刀可節(jié)省加工成本，其突出的效率特性不僅使航空工業(yè)受益，在能源、渦輪機(jī)制造、油氣輸送和化學(xué)工業(yè)等部門在加工超級(jí)合金、鈦合金、耐熱鋼等難加工材料時(shí)，Maximill 211-20銑刀也能得到卓有成效的應(yīng)用。

圖2 適合鈦加工的Maximill211-20銑刀

德國(guó)瓦爾特 （Walter）公司首次按PVD法在刀具材料上沉積氧化鋁硬鍍層，即所謂PVD-Tiger刀具（虎牌刀具），期間還產(chǎn)生了用于完全銑削和車削的可轉(zhuǎn)位刀片。這種刀片韌性極好，同時(shí)氧化鋁鍍層硬度高，耐熱性好且耐磨，特別適合加工鈦合金、銦康鎳基合金、鈷基合金等耐高溫的材料。瓦爾特的標(biāo)牌為Ti40的VHM銑刀是加工鈦合金的基本刀具。一種新硬質(zhì)合金基體，新的AlGrN鍍層和優(yōu)化的微幾何結(jié)構(gòu)，使銑刀的切削率可以接近極限值。德國(guó)瓦爾特公司的各種加工鈦合金的螺紋銑刀也是其中一部分。

Cemecon公司用俄羅斯科學(xué)家弗拉基米爾·庫(kù)茲涅佐夫 （Vladimir Kouznetsov）開發(fā)的HiPIMS技術(shù)進(jìn)行鍍層的刀具，其鍍層質(zhì)量大有改善。HiPIMS鍍層刀具在提高切削參數(shù)、加工鎳基合金和各種奧氏體不銹鋼等難切削材料時(shí)更經(jīng)濟(jì)，刀具磨損小得多。HiPIMS鍍層法的機(jī)理是，使一種陰極真空噴鍍的中間電極材料 （施主材料）達(dá)到高度電離化，在兆瓦級(jí)高能量、大功率脈沖作用下飛向標(biāo)靶，在靶前形成高密度載流子的等離子區(qū)。這個(gè)密度超過一般直流濺射的密度。與其他方法相比，濺射靶材料的高度電離作用改進(jìn)了鍍層結(jié)構(gòu)，并因此改善了鍍層特性。除了致密的鍍層結(jié)構(gòu)外，鍍層與基體粘結(jié)的牢固度比迄今的PVD鍍層大1倍以上。刀刃鋒利，能進(jìn)行斷續(xù)切削。在銑削鈦合金時(shí)，性能提高80%。而車削鎳鉻鐵 （Inconel）耐熱耐蝕合金時(shí)，性能甚至提高400%。

德國(guó)達(dá)姆斯答特 （Darmstadt）大學(xué)的PTW研究所的鈦加工研究小組圍繞提高鈦切削加工的生產(chǎn)率，對(duì)刀具和刀套進(jìn)行優(yōu)化，認(rèn)為在銑削鈦結(jié)構(gòu)件時(shí)，一般用直徑8～63mm之間的可轉(zhuǎn)位刀片銑刀 （WSP銑刀）和整體硬質(zhì)合金銑刀 （VHM銑刀），粗加工切削速度大約50m/min，精加工時(shí)可達(dá)200m/min。他們還得到了兩個(gè)特殊的研究成果：其一是用CO2冷卻刀具效果很好，既不影響刀具壽命，又大幅提高了切削速度，還明顯改善了表面加工質(zhì)量。其二是發(fā)現(xiàn)鈦合金和其他難加工材料的切削熱有新的利用潛力。通過被切削材料局部加熱，會(huì)使材料軟化，因而改變了材料特性，降低了材料強(qiáng)度。初步調(diào)查表明，這可以使切削參數(shù)提高3倍；同時(shí)，機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力與傳統(tǒng)的切削相比，降低約50%?？梢?，他們的研究對(duì)提高鈦加工的經(jīng)濟(jì)性是很有意義的。

總之，鈦加工方面的刀具開發(fā)新成果還有很多，如，德國(guó)瓦爾特 （Walter）公司的各種加工鈦合金的螺紋銑刀就是其中一部分，這里不多列舉?，F(xiàn)在，我國(guó)正在研制大飛機(jī)和ARJ21、新舟支線飛機(jī)等，其他工業(yè)部門應(yīng)用高強(qiáng)度耐熱合金和碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料也日益增多，加工難題不可避免。上述一些信息僅供國(guó)內(nèi)業(yè)者參考。

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