鈦合金材料的銑削加工及優(yōu)勢(shì)
2010/5/31 14:29:51
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(lái)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。
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(zhǎng)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(kāi)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(chǎng)的快速增長(zhǎng)，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(kāi)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：α鈦合金、α-β鈦合金和β鈦合金。商用純鈦和α鈦合金不能進(jìn)行熱處理，但通常具有良好的可焊接性；α-β鈦合金可進(jìn)行熱處理，大多數(shù)也具有可焊接性；β和準(zhǔn)β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α-β鈦合金為Ti-6Al-4V（AllvacTi-6-4，簡(jiǎn)稱Ti-6-4），本文用Ti-6-4代表ATIAllvac公司生產(chǎn)的鈦合金，該公司是鈦合金的主要供應(yīng)商（最近與波音公司簽訂了一項(xiàng)25億美元的鈦合金長(zhǎng)期供貨合同）。另外，與ATIAllvac公司合作開(kāi)發(fā)加工解決方案的ATIStellram公司也采用這些鈦合金代號(hào)來(lái)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(guò)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-3Cr
Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr（簡(jiǎn)稱Ti-5-5-5-3）是一種頗具市場(chǎng)影響力的新型鈦合金。與β鈦合金和α-β鈦合金相比，這種準(zhǔn)β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)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(guò)在β轉(zhuǎn)變溫度以下進(jìn)行溶解熱處理或在β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。β轉(zhuǎn)變溫度是合成物的特定溫度，在此溫度下合金從α-β顯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘛@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(kāi)發(fā)能夠不縮短刀具壽命、不延長(zhǎng)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(wú)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(guò)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(guò)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(kāi)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。
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