數控加工技術在鈦合金材料加工中的應用研究

引言

鈦合金在工程機械等諸多領域有著非常廣泛的應用 , 具有強度高 、 質量小 、 抗腐蝕性和力學性能優良的特點 。 在實際應用過程中 ， 鈦合金材料的加工 ， 特別是銃削加工一直是人們重點研究的內容 。

1、鈦合金材料的性能特點及具體應用

鈦合金材料較為突出的性能特點是本身的強度非常高 , 能夠承受 1500 MPa 的壓力 ， 同時密度只有4.5 g/cm 3 。 其次是鈦合金材料在300 ? 500℃具有良好的熱穩定性 ， 對比常見的鋁合金材料 ， 其強度大于10倍甚至更多 。 再次是鈦合金材料具有較強的抗蝕性 ， 長時間處于空氣濕度較大和堿性介質中 ， 其抗蝕性 、酸蝕以及抵抗應力腐蝕等方面比不銹鋼材料更加優異 。 鈦合金的化學活性較為突出 , 和空氣中的 O2 、 CO2 和 H等物質元素接觸后 ， 可以形成強大的化學反應 ， 加溫到 600℃時 ， 會表現出劇烈的吸氧特性 ， 生成一種硬度非常高的硬化層 。 鈦的導熱性較差 ， 其導熱系數也是比較低的 ， 只有鐵的 1/5 , 鎳的 1/4 。 鈦合金材料的導熱系數則更低 ， 相比純鈦的導熱系數只達到了其 1/2

的水平 。

2、 數控加工技術應用于鈦合金材料加工的具體實例

2.1 光學鏡筒零件介紹及加工內容

在利用數控技術進行鈦合金光學鏡筒的加工過程中 ， 由于此項加工作業對精度要求比較高 ， 必須要做好相關數據參數的控制工作 ， 還要保證良好的密封性和強度 。 加工使用的是鈦合金TC4材料,這種材料屬于 （α + β ） 型鈦合金 ， 綜合力學性能比較優異 。 在實際操作過程中 ， 利用數控銃削外形圓弧 ， 下端面減重腔 、 右端面減重腔及密封槽 、 外形斜筋及減重腔 。 與此同時 ， 為確保設計基準和工藝基準與加工進準之間的良好統一性要求 ,應在圓柱和右端面中心點位置設置加工基準 。

2.2 鈦合金的切削加工難點

（ 1 ） 由于其具有的彈性模量較低 ， 有著較為明顯的彈性變形情況 ， 和后刀面位置距離較近處的工件表面存在著非常大的回彈量 , 進而在后刀面和加工表面這兩處地方 , 都有著較大的接觸范圍 ， 嚴重影響數控刀具使用壽命 。

（ 2 ） 由于鈦合金材料本身的導熱系數較低,在進行切削加工時需要設置很高的溫度 。 切削位置和刀具的接觸具有特殊性,造成刀具附近范圍內聚集很多的熱量 ， 并且這些熱量無法快速散發出去 。

（ 3 ） 鈦合金材料的硬度非常高 ， 塑性比較低 ， 增大剪切角時 ，前刀面和切削位置要避免長時間接觸 ， 避免因前刀面位置產生較大切削力而造成嚴重的刀具崩刃現象 。

（ 4 ） 在加工過程中 ， 鈦合金材料表面會出現顯著的硬化現象 。 由于鈦的活性非常高 ， 可以與空氣中的許多元素和物質產生一定的化學反應 ， 增加表層部位脆性和硬度 。 特別是在高溫環境中進行加工作業 ， 會出現氧化硬層,造成局部應力的增大和材料疲勞強度的明顯降低 ， 嚴重破壞和影響刀具結構的穩定性 。

（ 5 ） 鈦合金的切削加工作業存在嚴重的粘黏現象 ， 刀具在對材料表面進行切削和走刀過程中 ， 出現粘刀現象,影響加工質量和刀具壽命 。

（ 6 ） 對鈦合金材料的斜面傾角進行加工作業時 ， 存在較為突出的過切問題 。 結合使用高精加工措施后 ， 型腔中的一些位置存在著不光滑的問題 。 如果沿著型腔輪廓存在一條刀路 ， 則會順利解決這個問題 。

（ 7 ） 鈦材料加工的密封槽是一項難點內容 。 銃削操作中 ， 在切削厚度方面 ， 其每個刀齒的尺寸較小 ， 受到切削厚度較薄的限制 ， 切削時需要對刀具進行一定刃磨 ， 才能展開切削加工作業 。在徑向角度 ， 刀具受到切削力的作用 ， 會大大增加刀具彎曲的概率 ， 進而降低其使用壽面和結構強度 。 同時在此部位出現啃刀情況 ， 會影響密封槽的密封性能 ， 最終造成零部件徹底報廢 。

3、針對鈦合金材料加工問題的相關解決措施

3.1 優化切削參數

在加工切削過程中 ， 適當調整降低切削速度,能夠有效提高加工質量 。 較小的進給量能夠顯著提高表面粗糙度 ， 進而控制彈性變形現象的出現 ， 但是受到鈦合金材料的氧化硬層問題的影響 , 如果進給量不大 ， 刀具會長時間處在硬化層切削加工中 , 進而加劇刀具的磨損程度 。 采用增大背吃刀量 ， 優化切削參數信息的方式 , 避免磨損和破壞刀具 ， 延長刀刃有效工作時間 。

3.2 切削液的配制

在切削液體的選擇方面 ， 人們可以使用不含氯的水溶乳化液 ， 避免對材料加工表面位置造成腐蝕 。 在進行粗加工時 ， 利用切削液充分吸收并排放出產生的熱量 ， 增強切削刃的整體強度 。

在保證冷卻效果的同時也能降低磨損程度 ， 根據合理比例配制成 5% 的溶液 。 在精加工過程中 , 借助切削液 , 能夠提高表面加工質量 ， 對前刀面和摩擦角形成有力控制 ， 通過增大剪切角的方式來降低銃削力 ， 起到顯著潤滑效果 ， 根據比例配制成 10% 的濃度 。

3.3 密封槽的加工

在鈦合金材料的密封槽加工過程中 ， 可以利用鉆削方法來對材料進行去除 。 在實際操作中 ， 刀具按照 Z 軸固定方向展開進給移動 ， 在軸之間做間隙運動 ， 能夠實現對材料大量快速去除的目的 。 較小的側向力能夠有效避免材料的變形問題 。 后刀面和加工表面存在較小的摩擦作用 ， 提高了切削速度 ， 能夠提高數控機床的加工效率 ， 在保證刀具能夠正常使用的同時還能減少成本和資源的投入 。

4、鈦合金加工刀具技術研究

針對鈦合金材料不易加工的問題 ， 刀具技術是重點研究內容之一,刀具的質量和使用性能決定加工材料的質量與加工效率 。

4.1 刀具鈍化技術

鈦合金材料的加工需要非常鋒利的切削刃 ， 過度鋒利導致刀刃發生崩刃 。 針對這一問題 ， 人們在對此類刀具的設計和制造過程中 ， 一般都采用刀具鈍化技術 ， 保護切削刃 。 國外有關國家對刀具鈍化技術的研究比較深入 ， 借助有限元仿真技術,綜合分析刀具刃口半徑給切削加工造成的影響 。 例如 ， 刀具刃口半徑會對高速鋼銃刀片的抗磨損能力造成何種程度的影響等 。 國內一些機構和人員在此方面也有試驗和研究 ， 但是研究工作主要集中在刀片刃口的鈍化方面 。 對于整體刀具的刃口鈍化功能的技術和相關參數優化創新設計等方面的工作 ， 還沒有形成系統的研究和發展內容 。

4.2 新型結構刀具的應用

針對刀具的結構做一定的創新和優化 ， 是實現刀具切削性能穩定提升的有效方法 。 利用先進的刀具結構 ， 能夠充分發揮刀具材料和涂層的巨大作用 ， 顯著增強刀具的切削性能 。 特別是隨著數控機床加工技術的發展 ， 刀具的重要性愈加明顯 。 國內外許多刀具設計制造機構和廠商加強了對刀具結構設計研究的力度,誕生了許多用于鈦合金材料加工的刀具 。 例如 ， 對于鈦合金材料構件具有的深腔薄壁等特征 ， 日本黛杰工業株式會社設計和發明出具有可換功能的模頭系列刀具 ， 刀具包含高性能可換刀頭和超強硬桿 ， 在進行懸長較大的加工作業中,具有顯著抑制振動的功能和使用效果 。 對比傳統鋼制刀桿 ， 其對材料加工的整體效率提高了將近 3 個等級 ， 有效節省了加工時間 。 世界著名的金屬切削刀具及切削技術的供應商 一 以色列伊斯卡公司 ， 設計制造的精加工波形刃立銃刀將粗銃刀和精銃刀有效整合到一起 ， 構成一把刀 ， 具有 2 個螺旋波形粗加工刃和 2 個螺旋光滑精加工刃 。 利用粗加工的切削數據能夠做到精加工的效果 ， 其表面質量也符合精加工的標準 。 利用一把銃刀就能實現快速切除功能 ， 并且可以及時排出這個過程產生的長短 2 種混合切屑 ， 可以在鈦合金材料整體構件的型腔銃削加工作業中得到大范圍推廣和應用 。 刀具的基體材料 、 涂層和結構等,是有效增強刀具的切削性能并完成精加工的重要影響條件 。 分析和研究鈦合金加工新型刀具材料的過程中 ， 需要提高對刀具結構創新的重視程度 。

現階段 ， 針對微結構 ， 如減振韌帶和刃口強化結構等一些方面內容 ， 缺少相關研究和創新。 同時在理論研究的基礎上 , 結合仿真分析和試驗同刀具結構進行合理的優化改進設計 ， 是未來鈦合金加工刀具技術主要發展方向和內容 。

5、鈦合金整體結構件高速高效加工工藝理論研究

5.1 走刀路徑和走刀方式研究

對走刀路徑進行合理設置 ， 能夠保證鈦合金整體結構件的加工精度 。 針對設置有定位功能的表面 ， 應利用由內向外的銃削方式 ， 進而得到一個呈內凹形狀的微觀結構 ， 增強定位精度和效果 。 同時針對一些具有單元框結構的鈦合金構件 , 為實現均勻去除材料的目的 ， 人們應利用由外向內或由內向外的銃削方式 ， 充分釋放出材料上的應力 ， 確保構件在剛度方面有著良好的均衡性 ， 避免出現加工變形問題 。 對具有薄壁結構的構件做加工處理時 ， 應根據實際情況選擇對應的走刀方式,保證加工的精度和質量 。 人們可以利用吃水線走刀方式,從薄壁的兩側位置實施交互進刀操作,這樣在切削時 ， 薄壁的兩側位置就能形成穩定的支撐結構 ， 同時借助構件本身剛度 ， 進一步提高加工精度 。

5.2 加強插銃技術在鈦合金加工中的應用研究

利用插銃技術優勢 ， 促進鈦合金材料加工作業的高效進行 。

針對插銃技術主要有以下幾種應用場景 。 首先是對淺寬凹腔的加工作業 ， 能夠有效避免深切立銃刀的加工缺陷 。 其次是對窄深凹腔的加工作業 ， 能夠有效避免立銃刀需要在走刀步驟耗費較長加工時間而無法展開切削的問題 。 最后是針對構件的拐角位置展開插銃加工作業 ， 能夠對全部的單元框展開插銃加工 ， 進而保證加工質量和效率 。

5.3 基于切削穩定性工藝參數優化研究

在鈦合金材料加工切削過程中,經常會產生振動問題 ， 對加工的表面質量和穩定性造成一定影響 。 保證加工的穩定性能夠提高刀具壽命 ， 維持較高的數控機床精度 。 因此在鈦合金材料展開加工工藝參數優化操作時 ， 人們需要充分考慮機床 、 刀具和工件的一些動態特征 。 在確保切削穩定性的基礎上,完成工藝參數的相關優化工作 。 此外 ， 還應該重點關注工件受材料去除不斷變化影響的剛度時變特征 。 鈦合金整體結構的材料去除率能夠達到 90% 的水平 ， 這對鈦合金材料的高速高效切削加工作業提出了更加苛刻的標準和要求 。

6、結語

在利用數控加工技術對鈦合金材料加工的過程中 ， 人們需要綜合考慮到鈦合金材料的性能特點 。 針對鈦合金的切削加工難點 ， 制定有效解決和改進措施 ， 加強對加工刀具的設計和研究 , 在保證加工精度和質量 、 不損壞刀具的基礎上 , 完成加工作業 。 人們應提高對于一些先進的加工工藝理論研究的重視程度 ，加大資金和資源投入 ， 提高我國在數控加工領域的實力 。

參考文獻

【1】 李云城 ? 鈦合金整體結構件加工關鍵技術研究 ［ J ］ ? 現代科技 , 2019 ,39(3 ) : 81-88.

【2】張憲 . 鈦合金 航空零 件銃削加工刀具 ［ J ］ . 工具展 望 , 2006(5 ) ： 19-21.