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钛合金材料的铣削加工及优势


  在许多航空航天应用中,钛及其合金正在取代传统的铝合金。如今,航空航天业消耗的钛材料约占全球生产总量的42%,并且从现在到2010年,预计对钛材料的需求将继续以两位数的速度增长。新一代飞机需要充分利用钛合金提供的性能,无论是商用机还是军用机市场,都正在推动对钛合金的需求。波音787、空客A380、F-22猛禽战斗机、F-35联合攻击战斗机(也称为闪电Ⅱ)等新机型都采用了大量钛合金材料。
    钛合金材料的优势

  钛合金具有高强度、高断裂韧性以及良好的抗腐蚀性和可焊接性。随着飞机机身越来越多地采用复合材料结构,钛基材料用于机身的比例也将日益增大,因为钛与复合材料的结合性能远远优于铝合金。例如:与铝合金相比,钛合金可使机身结构的寿命提高60%。
    钛合金极高的强度/密度比(达20∶1,即重量可减轻20%)为减轻大型构件的重量(这是对飞机设计师的主要挑战)提供了解决方案。此外,钛合金固有的高耐蚀性(与钢材相比)可以节省飞机日常运行和维护保养的成本。

    需要更大加工能力

    由于比普通合金钢的加工更为困难,因此通常认为钛合金属于难加工材料。典型钛合金的金属去除率仅为大多数普通钢或不锈钢的25%左右,因此加工一个钛合金工件需要花费的时间约为加工钢件的4倍。
    为了满足航空制造业对钛合金加工日益增长的需求,制造商需要增加生产能力,因此需要更好地理解钛合金加工策略的有效性。典型的钛合金工件的加工是从锻造开始的,直到80%的材料被去除而获得最终的工件外形。
    随着航空零部件市场的快速增长,制造商们已经感到力不从心,加上因钛合金工件加工效率较低而增加的加工需求,导致钛合金加工能力明显处于紧张状态。一些航空制造业的领军企业甚至公开质疑现有的机械加工能力能否完成全部新型钛合金工件的加工任务。由于这些工件通常是由新型合金制成,因此需要改变加工方式和刀具材料。

    钛合金Ti-6Al-4V

    钛合金有三种不同的结构形式:α钛合金、α-β钛合金和β钛合金。商用纯钛和α钛合金不能进行热处理,但通常具有良好的可焊接性;α-β钛合金可进行热处理,大多数也具有可焊接性;β和准β钛合金完全能进行热处理,且一般也具有可焊接性。
    用于涡轮发动机和机身构件的大部分普通α-β钛合金为Ti-6Al-4V(Allvac Ti-6-4,简称Ti-6-4),本文用Ti-6-4代表ATI Allvac公司生产的钛合金,该公司是钛合金的主要供应商(最近与波音公司签订了一项25亿美元的钛合金长期供货合同)。另外,与ATI Allvac公司合作开发加工解决方案的ATI Stellram公司也采用这些钛合金代号来描述加工要求。
    Ti-6-4具有优异的强度、断裂韧性和抗疲劳综合性能,可制成各种产品形态。退火态的Ti-6-4可广泛应用于结构件。通过化学成分的微小变化以及不同的热机械处理工艺,用Ti-6-4可生产出各种不同用途的零部件。

    钛合金Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr

    Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr(简称Ti-5-5-5-3)是一种颇具市场影响力的新型钛合金。与β钛合金和α-β钛合金相比,这种准β钛合金可以提供在要求更高抗张强度的飞机构件应用中所需的疲劳断裂韧性。
    与传统钛合金(如Ti-6-4和Ti-10-2-3)相比,Ti-5-5-5-3具有的可锻造成复杂形状、热处理后最终抗张强度可达180ksi(每平方英寸数千磅)等性能使其成为制造飞机高级构件和起落装置最有前途的材料。
    通过在β转变温度以下进行溶解热处理或在β转变温度以上进行退火处理,同时适当控制显微结构中的晶粒尺寸和沉淀,Ti-5-5-5-3可获得优异的机械性能。β转变温度是合成物的特定温度,在此温度下合金从α-β显微结构转变为全β显微结构。
    化学性能与微观结构的变化使钛合金可获得宽范围的性能组合,并因此在航空构件中获得广泛应用。Ti-5-5-5-3的加工难度与Ti-6-4相比大约增加了30%,因此应用这种新型合金的零件制造商正致力于开发能够不缩短刀具寿命、不延长生产周期的相应的加工工艺。
    加工钛合金时,材料硬度是一个关键因素。如果硬度值太低(<38HRC,钛合金会发粘,切削刃容易产生积屑瘤。而硬度值较高(>38HRC)的钛合金会对刀具材料产生磨蚀作用并使切削刃磨损。因此,正确选择加工速度、进给量和切削刀具至关重要。

    对切削刀具的要求

    为了满足生产成本、加工质量和按期交货等方面的要求,新的工件材料和零件设计给航空零部件制造商增加了压力。这些新材料的加工改变了对切削刀具的要求,提高金属去除率、刀具寿命、产品质量和可预期的刀具无破损寿命对于高效、安全的加工至关重要。“难加工”是一个相对的概念,通过切削刀具与加工参数的正确组合,也能获得高效的生产率。
    在加工航空级钛合金工件时,切削刀具制造商通过增加基体密度、设计特殊的刀具几何形状、采用精确的切削刃研磨技术以及开发新的涂层技术以控制刀—工界面产生的切削热等方法,大大提高了刀具的性能。
    在铣削加工中,钛合金的一个重要特性就是热传导性极差。由于钛合金材料的高强度和低热传导率,加工时会产生极高的切削热(如果不加控制可高达1200℃)。热量不是随切屑排出或被工件吸收,而是聚集在切削刃上,如此高的热量将大大缩短刀具寿命。
    采用特殊的加工技术,就有可能提高刀具性能与寿命(采用正确的加工技术控制温度,可将温度降低到250~300℃)。

    减少热量生成

    减小刀具与工件的径向和轴向接合可以控制切削热的产生。对于钛合金而言,在因过热而产生积屑瘤之前,对速度、进给量、径向和轴向接合的调整期限很短。为了达到适当的刀具寿命,加工钛合金只需最大15%的“接合弧长”,与之相比,加工普通钢材时接合弧长为50%~100%。减少接触弧长可以提高切削速度,在不损失刀具寿命的前提下提高金属切除率。
    采用切入角为45°的刀具或减薄切屑,可增加刀具切削刃与切屑的接触长度,从而减少局部高温,延长切削刃寿命,同时也允许采用更高的切削速度。

    刀片几何尺寸设计

    切削钛合金时,采用外周磨削刀片对于最大限度地减小切削压力以及与被加工表面的摩擦力至关重要。刀片几何角度必须采用正角,但这还不足以确保获得最佳性能。如果为了增强切削刃的第一部分而采用强度较高的小初始角,那么采用较大的次级角(以获得较大的正倒棱)对于增强刀片抗压性和延长刀具寿命是最佳的几何设计。此外,轻微的钝化也有助于保护切削刃,但钝化尺寸必须与切削过程相协调并保持严格的公差。加工钛合金时,需要利用锋利的切削刃剪切材料,但切削刃过于锋利容易导致崩刃而缩短刀具寿命。适当的钝化可保护切削刃,避免过早崩刃。正确的刀片几何参数可减小对刀具材料的应力和压力,使刀具获得更长的寿命和提高加工效率。
    刀体和刀片的切削角必须是正角,以获得累进切削效应,并避免切削时对整个切削刃产生冲击而无法获得期望的剪切效果。如果不这样做,工件结构可能会发生变形,使加工无法进行。

    凹腔铣削与螺旋插补铣削

    在进行凹腔铣削和螺旋插补铣削时,必须使用内冷却刀具,如果可能的话,应采用恒定压力的冷却液,这对于深凹腔或深孔加工尤其重要。
    加工深凹腔时,采用带模块式切削头的高密度硬质合金加长刀具可以提高刚性和减小挠曲变形,获得最佳加工效果。
    冷却液的功能是将切屑从切削区清除,避免可能造成刀具早期失效的二次切削。同时,冷却液还有助于降低切削刃的温度,减少工件几何变形,延长刀具寿命。
    用铣刀进行螺旋插补铣孔可减少刀库中其它刀具(如钻头等)的使用,采用一种直径的铣刀即可加工出不同尺寸的孔径。
    随着钛合金在航空航天工业的应用不断增长,支持高效加工钛合金的切削技术也在不断发展。由于对钛合金零件加工能力的大量需求,那些采用最有效加工技术的车间或制造商将首先受益。

    内部整合产生新的解决方案

    Allegheny Technologies公司是一家多领域制造商,旗下业务部门既包括金属冶炼又包括金属切削,这两个领域的结合使该公司在开发先进材料(如钛合金)加工新方法方面具有优势。
    ATI Stellram公司是Allegheny Technologies旗下ATI Metalworking Products公司的一个业务部门,它负责对由ATI Allvac公司开发的所有新材料进行加工性能试验,以确定最佳的刀片设计、刀具几何结构、基体与涂层结构以及切削参数,使这些新材料在公开上市销售之前能对其进行经济有效地加工。此外,作为Allvac的代表,Stellram是主要的航空制造企业和一流的航空机械零部件供应商,可以满足对工件材料和切削刀具两方面的共同需求。
    对材料固有结构的全面认识使ATI Stellram公司在刀具基体独特配方的设计上具有优势,其成果之一是X-Grade技术,ATI Stellram称,该技术已被证明是加工难加工材料的一种可靠方案。通过研究和开发X-Grade技术,产生了一种新的硬质合金牌号,它可在不稳定的加工条件下以极高的金属去除率有效切削难加工材料。

    X-Grade刀片技术(基体及涂层)

    X-Grade刀片采用了钌/钴合金基体,可以抵抗热裂纹的产生和扩展,并可获得较高的金属去除率。该基体具有较强的晶体结合矩阵结构,从而改善了切削刃的韧性。据ATI Stellram称,该基体材料与新的刀具几何形状和涂层相结合,可为加工航空合金提供卓越的刀具组合。采用X-Grade刀片可以实现:①金属去除率提高1倍;②刀具寿命增至3倍;③加工表面光洁度提高30%。
    可供选用的X-Grade刀片包括3种牌号(X400、X500和X700),每一种刀片都是针对特定的难切削加工而设计的。它们可采用标准的刀片型式,大多可安装在标准刀体的刀片槽内。但ATI Stellram称,最佳方案是采用专门设计的刀具以优化X-Grade刀片的性能。这些刀具的刀槽设计可实现最大限度的排屑、强化的槽型和最佳的冷却。该系列的两种刀具包括:①7710VR防转钮扣铣刀:配圆刀片并带有防止刀片在大进给率切削时发生位移的专利锁紧转位系统;②7792VX高进给铣刀:与传统刀具相比,金属去除率可提高1倍。除高进给表面铣削外,7792VX系列刀具还可用于铣凹腔、铣槽和插铣,由于切削力直接沿轴向传入主轴,因此可减小主轴摩擦,提高切削稳定性。

    航空钛合金零件加工案例研究

    以下是采用ATI Stellram刀具和X-Grade刀片加工航空钛合金零件的两个实例。
    (1)加工实例1
    被加工零件:钛合金外覆盖件(军用)
    工件材料:Ti-6Al-4V(Allvac Ti-6-4合金)
    工件尺寸:110"×18"
    加工描述:采用配XDLT-D41可转位刀片的ATI Stellram 7792VX高进给铣刀进行加工,粗铣加工的刀具寿命达到156分钟。
    铣刀:C7792VXD12-A3.00Z5R;刀槽数量:5
    刀片:XDLT120508ER-D41;牌号:X500(采用X-Grade技术设计)
    轴向切削深度ap:0.080"
    径向切削宽度ae:2.100"
    切削速度vc:131sfm
    每齿进给量fz:0.023ipt
    进给率:19.2ipm
    刀具寿命:156分钟/每次转位(每个刀片可转位4次)
    (2)加工实例2
    被加工零件:军用飞机的涡轮叶片(新应用)
    工件材料:全钛合金
    叶片尺寸:23.6"×11.8"
    加工描述:采用配防转圆刀片的ATI Stellram 7710VR铣刀加工螺旋桨叶片,粗铣加工的刀具寿命达到110分钟。
    铣刀:C7710VR12-A2.00Z5R;刀槽数量:5
    刀片:RPHT1204MOE-421-X4;牌号:X700(采用X-Grade技术设计)
    轴向切削深度ap:0.080"~0.100"
    径向切削宽度ae:0.800"~1.37"
    切削速度vc:265sfm
    每齿进给量fz:0.0086ipt
    进给率:21.8ipm
    刀具寿命:110分钟/每次转位(每个刀片可转位4次)


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