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鈦和鈦合金加螺紋工技術(shù)與應(yīng)用

航空没讲、航天工業(yè)部門(mén)绩蜻,用輕質(zhì)材料的輕型結(jié)構(gòu)件越來(lái)越多絮识。輕質(zhì)材料除鋁合金外主要是鈦绿聘、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%熄攘,而在A-350 XWB飛機(jī)上兽愤,鋁構(gòu)件則減少為20%。CFK由5%以上挪圾。但由于CFK和鋁之間的電化學(xué)電位差大的原因浅萧,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)哲思,這種引起腐蝕的電位差降低約80%版挣,顯然在接觸部位鈦勝過(guò)作為輕金屬的鋁。因此柴羞,飛機(jī)制造商要求在接觸部位盡可能用鈦件替代鋁件婆裹。結(jié)果在新機(jī)型中,鈦制零件從5%增加到14%以上稳嘁,具體在波音B-787和空客A-350飛機(jī)上乱险,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托习、強(qiáng)度如鋼石检、比重只有一半,且堅(jiān)固虏淋、韌性好惯斥、抗腐蝕、熱穩(wěn)定性好等非凡的特性蔼魁,在航空和航天工業(yè)摆野、生物醫(yī)藥,以及化學(xué)和石油工業(yè)中應(yīng)用廣泛凛驮。特別是在開(kāi)發(fā)新飛機(jī)時(shí)裆站,除CFK應(yīng)用增多外,由鈦合金制造的主要輕型構(gòu)件或渦輪機(jī)部件等都是由鈦或鈦合金制作的黔夭,所以宏胯,航空部門(mén)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)本姥,金融危機(jī)后的未來(lái)20年肩袍,世界主要飛機(jī)制造商將提供25000架客機(jī)和貨機(jī)』楸梗可見(jiàn)氛赐。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)力先舷,鈦或鈦合金部件通常是由整塊材料雕銑加工而成的艰管。在飛機(jī)工業(yè)中滓侍,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牲芋,經(jīng)切削加工成成品結(jié)構(gòu)件后的總重量不足11t撩笆,可見(jiàn)切除量之大。鈦材料的高強(qiáng)度情庐、耐磨筷疹、耐高溫等使用性能的優(yōu)點(diǎn)很突出。但其可切削性差辙资,加工困難瞳竖,加工費(fèi)用較高。盡管如此癌雷,鈦在飛機(jī)制造中句担,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橡收、降低制造成本的研究探索一直沒(méi)有停止,并不斷取得進(jìn)展遏填。

大家知道配评,鈦合金材料的可切削性能很差,這是由于其彈性模量低氛赞、切削力大和導(dǎo)熱性差的緣故再拴。尤其是因?qū)嵝圆睿伜辖鹎邢骷庸r(shí)的大部分熱量都留給了刀具赔癌,而不像鋁切削加工時(shí)那樣诞外,75%以上的切削熱由切屑帶走了。這意味這刀具的熱負(fù)荷巨大灾票,刀刃上的高溫峡谊,再加上溫度梯度大而導(dǎo)致刀刃上熱應(yīng)力增大,最終使刀具損壞刊苍。為了降低制造成本既们,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)單了正什。在飛機(jī)制造中啥纸,許多鈦合金構(gòu)件常用的加工方法是型腔銑削,加工質(zhì)量是頭等重要的婴氮。因此斯棒,鈦加工對(duì)機(jī)床、刀具和加工策略都提出了特殊要求主经。不同的結(jié)構(gòu)件自然要用不同的加工策略荣暮,但對(duì)機(jī)床和刀具提出了許多特殊要求庭惜,必須通盤(pán)考慮,予以解決返乏。

我國(guó)航空框抽、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香诽。

一绵扇、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)熱性差庐丁。為了能達(dá)到像加工鋁那樣的切削效率仓煌,要盡可能提高切削參數(shù),即加大金給和切深榨凭,從而導(dǎo)致加工切削力增大熔徊,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(guò)程不穩(wěn)定郑迅,還會(huì)加快刀具的磨損朽晓。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令聂、動(dòng)態(tài)特性(靜方仿、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)速统翩、大扭矩加工情況下及時(shí)清除切屑仙蚜,以減少刀具磨損和減少加工過(guò)程中產(chǎn)生的熱量傳給刀具,為了提高機(jī)床的剛度厂汗,一些機(jī)床制造商采用箱中結(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(wú)間隙導(dǎo)向系統(tǒng)委粉,到了加工位置能夾緊,以進(jìn)一步提高機(jī)床剛度;此外娶桦,還必須提高包括主軸-刀具-鏈接部位贾节,以及刀柄夾持器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)在加工過(guò)程中的剛度。

除了靜態(tài)剛度外衷畦,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氮双。控制加工過(guò)程的穩(wěn)定性是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)霎匈。如果機(jī)床的剛性低和阻尼特性差戴差,由于切削過(guò)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)铛嘱,可能出現(xiàn)自激振動(dòng)暖释,導(dǎo)致加工過(guò)程振顫。這種顫振除了影響工件表面質(zhì)量(有振紋)外波烘,還會(huì)導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)在摔、刀具株洲和刀具產(chǎn)生過(guò)載而受損骏疆。刀具磨損增大甚至斷裂。加工過(guò)程的穩(wěn)定性主要取決于所選用的主軸轉(zhuǎn)速唤吐、切深等參數(shù)潜佑。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)床采取諸加消振墊诫幼、在機(jī)床控制裝置里預(yù)先置入?yún)?shù)避開(kāi)極限切深小的轉(zhuǎn)度范圍等防振措施镐准,以進(jìn)一步提高機(jī)床的抗震性。

鈦合金的切削加工屬于強(qiáng)力切削翅殃,所以機(jī)床刀具主軸要有大的驅(qū)動(dòng)功率诈金,具有大功率強(qiáng)力切削功能。在航空工業(yè)中臊娩,鈦合金構(gòu)件的加工以型腔銑削居多拐棺,為便于切屑清除,要管理好冷卻潤(rùn)滑裝置框全,為便于切屑清除察绷,要管理好冷卻潤(rùn)滑裝置,使大量高壓冷卻潤(rùn)滑劑直接噴香刀具切削刃津辩。這樣克婶,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)丹泉,以免切屑遭多次切割而降低刀具壽命,擦傷加工面鸭蛙。為使機(jī)床具有大功率切削功能摹恨,德國(guó)Heller公司有針對(duì)性地設(shè)計(jì)、不知機(jī)床結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)軸結(jié)構(gòu)娶视,并配用了剛度極好的強(qiáng)力切削擺動(dòng)單元安裝刀具主軸晒哄,使機(jī)床在垂直、水平和空間任意角度都能產(chǎn)生同樣的切削功率肪获。

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

二岗制、適合鈦合金加工的刀具技術(shù)的

由于鈦的導(dǎo)熱性差械耙,切削過(guò)程產(chǎn)生的熱量大部分留在了刀具和刀刃上,所以刷男,加工鈦合金是一種條件惡劣的強(qiáng)力切削袖蝙,刀具對(duì)于鈦合金加工的成功與否搪狈,起著不可替代的關(guān)鍵作用。加工鈦合金的刀具必須強(qiáng)度高羊耸、耐熱延幻、耐磨損。飛機(jī)制造商希望使用的刀具壽命長(zhǎng)葵伟,加工過(guò)程安全可靠林品。這對(duì)于一個(gè)刀具制造商來(lái)說(shuō),無(wú)疑是一個(gè)很大的技術(shù)挑戰(zhàn)绷觉。面對(duì)需求和挑戰(zhàn)鄙荚,許多刀具開(kāi)發(fā)者和科研機(jī)構(gòu)及航空航天部門(mén)緊密合作,積極研究開(kāi)發(fā)傲茄,大大推動(dòng)了刀具技術(shù)的快速發(fā)展毅访,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(wèn)世。

例如盘榨,一個(gè)法國(guó)刀具制造商Safety公司專門(mén)為飛機(jī)制造而新開(kāi)發(fā)的Aerolong和Aerofinish銑刀(如圖所示)喻粹,主要用于飛機(jī)機(jī)身和起落架的深腔粗、精銑削加工草巡。在起落架框架上粗銑深腔時(shí)守呜,也可選用Safety的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銑刀山憨。雖然Sefety刀具的刀刃幾何形狀精確查乒,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)郁竟,要提高切削速度和切屑厚度都會(huì)受到技術(shù)限制玛迄。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棚亩,以增加同時(shí)參與切削的刀刃數(shù)蓖议。為此,法國(guó)刀具專家開(kāi)發(fā)了名為Sidelok的刀片夾緊系統(tǒng)腹瞒。刀片沒(méi)有中心孔毁几,而是用螺釘擰緊的方式使刀片牢固夾緊,因此更加穩(wěn)定孝尺,并在刀體上可提供多達(dá)2倍的刀片位置陵租。雙倍的刀齒參與切削,直接增大了銑刀每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f洼宪,即f為每齒進(jìn)給fz與刀齒數(shù)Z的乘積(f=fz*z)两靖。這樣,生產(chǎn)率可提高50%困碰。

加工鈦合金(例如TiAI6V4)或銦康鎳合金(Inconel 718)可用專門(mén)開(kāi)發(fā)的PVD-TiAIN鍍層的硬質(zhì)合金銑刀耍俱,切深4mm尽瑰,進(jìn)給0.08mm,壽命達(dá)到35min馒脏,這就是很好的結(jié)果了奠拢。對(duì)于加工銦康鎳合金來(lái)說(shuō),切削速度達(dá)34m/min就意味這近乎高速切削歌淹。為了提高刀具壽命瘟则,專為加工航空合金材料而開(kāi)發(fā)的大功率刀具材料-2003硬質(zhì)合金新品種,命名為“microform”枝秤。通過(guò)專門(mén)的方法把它制備成粉末并燒結(jié)醋拧,再直接壓制成刀片。這樣就制成了優(yōu)異的質(zhì)地均勻淀弹、顆粒結(jié)構(gòu)精細(xì)的刀具材料丹壕,基質(zhì)非常堅(jiān)硬,維氏硬度大約2000HV薇溃,幾乎像剛玉或?qū)毷敲从簿怠R虼耍钸m合切削難加工材料沐序。用微縮技術(shù)壓制的刀片琉用,材質(zhì)沒(méi)有夾雜物,極其柔硬的切削刃呈現(xiàn)很好的熱硬性策幼。

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

奧地利的硬質(zhì)合金制造企業(yè)Ceratizit與世界領(lǐng)先的航空攒置、航天企業(yè)共同開(kāi)發(fā)了一種適合鈦合金切削特殊要求的Maximill 211-20銑刀(見(jiàn)圖2)。經(jīng)嚴(yán)酷條件下的切削試驗(yàn)表明披蚕,該銑刀加工鈦的切削速度大約60m/min尖坦,同時(shí)壽命提高20%~100%,部分可達(dá)到200%讹渴。大而穩(wěn)固的刀片在切深至19mm時(shí)還能穩(wěn)定地銑削装屈,可轉(zhuǎn)位刀片是專門(mén)為加工鈦怒晕、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)鍍層路学,確保其抗高熱的能力嚼吞,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蹬碧。由于縮短了加工時(shí)間舱禽,提高了加工過(guò)程的可靠性,Maximill 21-20銑刀可節(jié)省加工成本恩沽,其突出的效率特性不僅使航空工業(yè)受益誊稚,在能源、渦輪機(jī)制造罗心、油氣輸送和化學(xué)工業(yè)等部門(mén)在加工超級(jí)合金里伯、鈦合金、耐熱鋼等難加工材料時(shí)协屡,Maximill 2-20銑刀也能得到卓有成效的應(yīng)用俏脊。


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)肤晓,期間還產(chǎn)生了用于完全銑削和車(chē)削的可轉(zhuǎn)位刀片爷贫。這種刀片韌性極好,同時(shí)氧化鋁鍍層硬度高补憾,耐熱性好且耐磨性惯篇,特別適合加工鈦合金、銦康鎳基合金忱厨、鈷基合金等耐高溫的材料辱囤。瓦爾特的標(biāo)牌為T(mén)i40的VHM銑刀是加工鈦合金的基本刀具。一種新硬質(zhì)合金基體鲤瞪,新的AIGrN鍍層和優(yōu)化的微幾何結(jié)構(gòu)牢介,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揉拯。

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(kāi)發(fā)的HiPIMS技術(shù)進(jìn)行鍍層的刀具泳厌,其鍍層質(zhì)量大有改善。HiPIMS鍍層刀具在提高切削參數(shù)液斩、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)起驱,刀具磨損小得多。HiPIMS鍍層法的機(jī)理是谤赛,使一種陰極真空噴鍍的中間電極材料(施主材料)達(dá)到高度電離化鹊获,在兆瓦級(jí)高能量、大功率脈沖作用下飛向標(biāo)靶,在靶前形級(jí)高能量刹碾、大功率脈沖作用下飛向標(biāo)靶燥撞,在靶前形成高密度載流子的等離子區(qū)。這個(gè)密度超過(guò)一半直流濺射的密度教硫。與其他方法相比叨吮,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瞬矩。除了致密的鍍層結(jié)構(gòu)外茶鉴,鍍層與集體粘接的牢固度比迄今的PVD鍍層大1倍以上。刀刃鋒利景用,能進(jìn)行斷續(xù)切削涵叮。在銑削鈦合金時(shí),性能提高80%伞插。而車(chē)削鎳鉻鐵(Inconel)耐熱耐蝕合金時(shí)割粮,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)率媚污,對(duì)刀具和刀套進(jìn)行優(yōu)化舀瓢,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)皿掂,粗加工切削速度大約50m/min瓣车,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冷卻刀具效果很好般供,既不影響刀具壽命菠贡,又大幅提高了切削速度,還明顯改善了表面加工質(zhì)量栅告。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睛至。通過(guò)被切削材料局部加熱,會(huì)使材料軟化域抚,因而改變了材料特性治部,降低了材料強(qiáng)度。初步調(diào)查表明涵蔓,這可以使切削參數(shù)提高3倍;同時(shí)沧蛉,機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力與傳統(tǒng)的切削相比,降低約50%鬓预±毫遥可見(jiàn)颜说,他們的研究對(duì)提高鈦加工的經(jīng)濟(jì)性是很有意義的购岗。

總之,鈦加工方面的刀具開(kāi)發(fā)新成果還有很多,如喊积,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烹困,這里不多列舉。現(xiàn)在乾吻,我國(guó)正在研制大飛機(jī)和ARJ21髓梅、新舟支線飛機(jī)等,其他工業(yè)部門(mén)應(yīng)用高強(qiáng)度耐熱合金和碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料也日益增多绎签,加工難題不可避免枯饿。上述一些信息僅供國(guó)內(nèi)業(yè)者參考。


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