數(shù)控加工技術(shù)在鈦合金材料加工中的應(yīng)用研究

引言

鈦合金在工程機(jī)械等諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用 , 具有強(qiáng)度高 、 質(zhì)量小 、 抗腐蝕性和力學(xué)性能優(yōu)良的特點(diǎn) 。 在實(shí)際應(yīng)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(diǎn)研究的內(nèi)容 。

1、鈦合金材料的性能特點(diǎn)及具體應(yīng)用

鈦合金材料較為突出的性能特點(diǎn)是本身的強(qiáng)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(wěn)定性 ， 對比常見的鋁合金材料 ， 其強(qiáng)度大于10倍甚至更多 。 再次是鈦合金材料具有較強(qiáng)的抗蝕性 ， 長時間處于空氣濕度較大和堿性介質(zhì)中 ， 其抗蝕性 、酸蝕以及抵抗應(yīng)力腐蝕等方面比不銹鋼材料更加優(yōu)異 。 鈦合金的化學(xué)活性較為突出 , 和空氣中的 O2 、 CO2 和 H等物質(zhì)元素接觸后 ， 可以形成強(qiáng)大的化學(xué)反應(yīng) ， 加溫到 600℃時 ， 會表現(xiàn)出劇烈的吸氧特性 ， 生成一種硬度非常高的硬化層 。 鈦的導(dǎo)熱性較差 ， 其導(dǎo)熱系數(shù)也是比較低的 ， 只有鐵的 1/5 , 鎳的 1/4 。 鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)則更低 ， 相比純鈦的導(dǎo)熱系數(shù)只達(dá)到了其 1/2

的水平 。

2、 數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用于鈦合金材料加工的具體實(shí)例

2.1 光學(xué)鏡筒零件介紹及加工內(nèi)容

在利用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行鈦合金光學(xué)鏡筒的加工過程中 ， 由于此項(xiàng)加工作業(yè)對精度要求比較高 ， 必須要做好相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)的控制工作 ， 還要保證良好的密封性和強(qiáng)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(xué)性能比較優(yōu)異 。 在實(shí)際操作過程中 ， 利用數(shù)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(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)與加工進(jìn)準(zhǔn)之間的良好統(tǒng)一性要求 ,應(yīng)在圓柱和右端面中心點(diǎn)位置設(shè)置加工基準(zhǔn) 。

2.2 鈦合金的切削加工難點(diǎn)

（ 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(jìn)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(yán)重影響數(shù)控刀具使用壽命 。

（ 2 ） 由于鈦合金材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)較低,在進(jìn)行切削加工時需要設(shè)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(nèi)聚集很多的熱量 ， 并且這些熱量無法快速散發(fā)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(chǎn)生較大切削力而造成嚴(yán)重的刀具崩刃現(xiàn)象 。

（ 4 ） 在加工過程中 ， 鈦合金材料表面會出現(xiàn)顯著的硬化現(xiàn)象 。 由于鈦的活性非常高 ， 可以與空氣中的許多元素和物質(zhì)產(chǎn)生一定的化學(xué)反應(yīng) ， 增加表層部位脆性和硬度 。 特別是在高溫環(huán)境中進(jìn)行加工作業(yè) ， 會出現(xiàn)氧化硬層,造成局部應(yīng)力的增大和材料疲勞強(qiáng)度的明顯降低 ， 嚴(yán)重破壞和影響刀具結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 。

（ 5 ） 鈦合金的切削加工作業(yè)存在嚴(yán)重的粘黏現(xiàn)象 ， 刀具在對材料表面進(jìn)行切削和走刀過程中 ， 出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象,影響加工質(zhì)量和刀具壽命 。

（ 6 ） 對鈦合金材料的斜面傾角進(jìn)行加工作業(yè)時 ， 存在較為突出的過切問題 。 結(jié)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(xiàng)難點(diǎn)內(nèi)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(jìn)行一定刃磨 ， 才能展開切削加工作業(yè) 。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(jìn)而降低其使用壽面和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 。 同時在此部位出現(xiàn)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(bào)廢 。

3、針對鈦合金材料加工問題的相關(guān)解決措施

3.1 優(yōu)化切削參數(shù)

在加工切削過程中 ， 適當(dāng)調(diào)整降低切削速度,能夠有效提高加工質(zhì)量 。 較小的進(jìn)給量能夠顯著提高表面粗糙度 ， 進(jìn)而控制彈性變形現(xiàn)象的出現(xiàn) ， 但是受到鈦合金材料的氧化硬層問題的影響 , 如果進(jìn)給量不大 ， 刀具會長時間處在硬化層切削加工中 , 進(jìn)而加劇刀具的磨損程度 。 采用增大背吃刀量 ， 優(yōu)化切削參數(shù)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(jìn)行粗加工時 ， 利用切削液充分吸收并排放出產(chǎn)生的熱量 ， 增強(qiáng)切削刃的整體強(qiáng)度 。

在保證冷卻效果的同時也能降低磨損程度 ， 根據(jù)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(zhì)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(jù)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(jìn)行去除 。 在實(shí)際操作中 ， 刀具按照 Z 軸固定方向展開進(jìn)給移動 ， 在軸之間做間隙運(yùn)動 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)對材料大量快速去除的目的 。 較小的側(cè)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(shù)控機(jī)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(shù)研究

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

4.1 刀具鈍化技術(shù)

鈦合金材料的加工需要非常鋒利的切削刃 ， 過度鋒利導(dǎo)致刀刃發(fā)生崩刃 。 針對這一問題 ， 人們在對此類刀具的設(shè)計(jì)和制造過程中 ， 一般都采用刀具鈍化技術(shù) ， 保護(hù)切削刃 。 國外有關(guān)國家對刀具鈍化技術(shù)的研究比較深入 ， 借助有限元仿真技術(shù),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(nèi)一些機(jī)構(gòu)和人員在此方面也有試驗(yàn)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(shù)和相關(guān)參數(shù)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面的工作 ， 還沒有形成系統(tǒng)的研究和發(fā)展內(nèi)容 。

4.2 新型結(jié)構(gòu)刀具的應(yīng)用

針對刀具的結(jié)構(gòu)做一定的創(chuàng)新和優(yōu)化 ， 是實(shí)現(xiàn)刀具切削性能穩(wěn)定提升的有效方法 。 利用先進(jìn)的刀具結(jié)構(gòu) ， 能夠充分發(fā)揮刀具材料和涂層的巨大作用 ， 顯著增強(qiáng)刀具的切削性能 。 特別是隨著數(shù)控機(jī)床加工技術(shù)的發(fā)展 ， 刀具的重要性愈加明顯 。 國內(nèi)外許多刀具設(shè)計(jì)制造機(jī)構(gòu)和廠商加強(qiáng)了對刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gòu)件具有的深腔薄壁等特征 ， 日本黛杰工業(yè)株式會社設(shè)計(jì)和發(fā)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(qiáng)硬桿 ， 在進(jìn)行懸長較大的加工作業(yè)中,具有顯著抑制振動的功能和使用效果 。 對比傳統(tǒng)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(jié)省了加工時間 。 世界著名的金屬切削刀具及切削技術(shù)的供應(yīng)商 一 以色列伊斯卡公司 ， 設(shè)計(jì)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(gòu)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(shù)據(jù)能夠做到精加工的效果 ， 其表面質(zhì)量也符合精加工的標(biāo)準(zhǔn) 。 利用一把銃刀就能實(shí)現(xiàn)快速切除功能 ， 并且可以及時排出這個過程產(chǎn)生的長短 2 種混合切屑 ， 可以在鈦合金材料整體構(gòu)件的型腔銃削加工作業(yè)中得到大范圍推廣和應(yīng)用 。 刀具的基體材料 、 涂層和結(jié)構(gòu)等,是有效增強(qiáng)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重視程度 。

現(xiàn)階段 ， 針對微結(jié)構(gòu) ， 如減振韌帶和刃口強(qiáng)化結(jié)構(gòu)等一些方面內(nèi)容 ， 缺少相關(guān)研究和創(chuàng)新。 同時在理論研究的基礎(chǔ)上 , 結(jié)合仿真分析和試驗(yàn)同刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì) ， 是未來鈦合金加工刀具技術(shù)主要發(fā)展方向和內(nèi)容 。

5、鈦合金整體結(jié)構(gòu)件高速高效加工工藝?yán)碚撗芯?/strong>

5.1 走刀路徑和走刀方式研究

對走刀路徑進(jìn)行合理設(shè)置 ， 能夠保證鈦合金整體結(jié)構(gòu)件的加工精度 。 針對設(shè)置有定位功能的表面 ， 應(yīng)利用由內(nèi)向外的銃削方式 ， 進(jìn)而得到一個呈內(nèi)凹形狀的微觀結(jié)構(gòu) ， 增強(qiáng)定位精度和效果 。 同時針對一些具有單元框結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)件 , 為實(shí)現(xiàn)均勻去除材料的目的 ， 人們應(yīng)利用由外向內(nèi)或由內(nèi)向外的銃削方式 ， 充分釋放出材料上的應(yīng)力 ， 確保構(gòu)件在剛度方面有著良好的均衡性 ， 避免出現(xiàn)加工變形問題 。 對具有薄壁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件做加工處理時 ， 應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇對應(yīng)的走刀方式,保證加工的精度和質(zhì)量 。 人們可以利用吃水線走刀方式,從薄壁的兩側(cè)位置實(shí)施交互進(jìn)刀操作,這樣在切削時 ， 薄壁的兩側(cè)位置就能形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu) ， 同時借助構(gòu)件本身剛度 ， 進(jìn)一步提高加工精度 。

5.2 加強(qiáng)插銃技術(shù)在鈦合金加工中的應(yīng)用研究

利用插銃技術(shù)優(yōu)勢 ， 促進(jìn)鈦合金材料加工作業(yè)的高效進(jìn)行 。

針對插銃技術(shù)主要有以下幾種應(yīng)用場景 。 首先是對淺寬凹腔的加工作業(yè) ， 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(yè) ， 能夠有效避免立銃刀需要在走刀步驟耗費(fèi)較長加工時間而無法展開切削的問題 。 最后是針對構(gòu)件的拐角位置展開插銃加工作業(yè) ， 能夠?qū)θ康膯卧蛘归_插銃加工 ， 進(jìn)而保證加工質(zhì)量和效率 。

5.3 基于切削穩(wěn)定性工藝參數(shù)優(yōu)化研究

在鈦合金材料加工切削過程中,經(jīng)常會產(chǎn)生振動問題 ， 對加工的表面質(zhì)量和穩(wěn)定性造成一定影響 。 保證加工的穩(wěn)定性能夠提高刀具壽命 ， 維持較高的數(shù)控機(jī)床精度 。 因此在鈦合金材料展開加工工藝參數(shù)優(yōu)化操作時 ， 人們需要充分考慮機(jī)床 、 刀具和工件的一些動態(tài)特征 。 在確保切削穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,完成工藝參數(shù)的相關(guān)優(yōu)化工作 。 此外 ， 還應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)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(jié)構(gòu)的材料去除率能夠達(dá)到 90% 的水平 ， 這對鈦合金材料的高速高效切削加工作業(yè)提出了更加苛刻的標(biāo)準(zhǔn)和要求 。

6、結(jié)語

在利用數(shù)控加工技術(shù)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(diǎn) 。 針對鈦合金的切削加工難點(diǎn) ， 制定有效解決和改進(jìn)措施 ， 加強(qiáng)對加工刀具的設(shè)計(jì)和研究 , 在保證加工精度和質(zhì)量 、 不損壞刀具的基礎(chǔ)上 , 完成加工作業(yè) 。 人們應(yīng)提高對于一些先進(jìn)的加工工藝?yán)碚撗芯康闹匾暢潭?，加大資金和資源投入 ， 提高我國在數(shù)控加工領(lǐng)域的實(shí)力 。

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