鈦合金以其強度高、機械性能好和耐腐蝕性能強等特點(diǎn)在航空制造業(yè)中的應用越來(lái)越廣泛， 隨著(zhù)鈦合金在飛機上所占比重的不斷增加，鈦合金航空結構件的數控加工效率對航空制造企業(yè)的影響也越來(lái)越大。鈦合金屬于難加工材料，其相對切削性為0.15～0.25，加工效率僅為鋁合金的10%，因此鈦合金航空結構件的低加工效率嚴重制約了現代飛機的批量生產(chǎn)。實(shí)現鈦合金航空結構件的高效加工成為了航空制造企業(yè)、數控設備制造商和刀具制造商共同關(guān)注的話(huà)題。

01
鈦合金切削加工性能

鈦合金具有機械性能好、抗腐蝕性能強以及比重小等特點(diǎn)。但是在加工中，鈦合金的切削加工性能很差，主要表現在以下幾個(gè)方面：

(1) 大切削力。鈦合金材料強度高，在切削時(shí)產(chǎn)生的切削阻力大，導致切削刃口產(chǎn)生大量的切削熱;

(2) 導熱率低。鈦合金熱擴散率低，大量的切削熱集中在切削區域;

(3) 刀尖應力大。鈦合金的塑性低，加工產(chǎn)生的切屑極易彎曲，導致切屑與前刀面的接觸長(cháng)度短，因此切削刃上單位面積存力增大，造成刀尖部位應力集中;

(4) 摩擦力大。鈦合金的彈性模量小，造成前、后刀面的摩擦加劇;

(5) 化學(xué)活潑性高。鈦元素在高的切削溫度下，很容易與空氣中的氫、氧、氮等氣體發(fā)生化學(xué)反應，形成表面硬層，加速刀具磨損。

02
鈦合金高效加工設備

為了滿(mǎn)足鈦合金結構件的高效加工，新型的鈦合金加工設備呈現出如下發(fā)展趨勢：

(1) 大扭矩。鈦合金強度高，加工中切削力非常大，鈦合金加工機床的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是主軸扭矩和擺角扭矩大。

(2) 電主軸的應用。大功率、大扭矩的電主軸已應用于鈦合金加工。  

(3) 臥式加工中心應用于鈦合金加工。臥式加工中心排屑方便，有利于提高加工效率和加工質(zhì)量，可交換工作臺易于實(shí)現多工位加工并組建柔性生產(chǎn)線(xiàn)，提高設備利用率。

(4) 高壓內冷。鈦合金加工中切削熱集中在刀尖，易造成刀具磨損或損壞，高壓內冷可準確噴到切削區域帶走切削熱。

03
鈦合金高效加工刀具

鈦合金的切削加工性較差，傳統加工方式切削速度一般不超過(guò)60m/min。鈦合金的粗加工主要是以大切深、低轉速、低進(jìn)給的方式來(lái)獲得最大的金屬去除率；精加工采用PVD涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行小切寬、大切深的高速銑削獲得高效切削。因此鈦合金加工刀具主要圍繞如何在強力切削時(shí)避免振顫、減小切削力和降低切削溫度等方面進(jìn)行改進(jìn)：

04
鈦合金高效加工刀具

（1）鈦合金面銑加工：對鈦合金零件進(jìn)行面銑加工時(shí)，采用小切深、大進(jìn)給的銑削方式獲得高效加工。大進(jìn)給銑削的原理是通過(guò)減小刀具主偏角，使刀具在很高的進(jìn)給下仍然能保持很小的切屑厚度，以減小高進(jìn)給時(shí)的切削力，實(shí)現在低切削速度下獲得很大的進(jìn)給量，增加單位切深下的金屬切除率。同時(shí)切削力部分垂直向上，切向力較小，消耗的功率也較小，該加工方法對機床的功率和剛性要求不高，應用非常廣泛。

（2）鈦合金槽腔加工：槽腔是鈦合金航空結構件的一個(gè)主要特征，材料去除率高，工作量大，因此槽腔加工是實(shí)現鈦合金零件高效加工的關(guān)鍵(見(jiàn)圖1)。大切深、低轉速、低進(jìn)給的強力切削以獲得最大金屬去除率是鈦合金粗加工的有效方法。目前粗加工鈦合金的強力銑削刀具以玉米銑刀的效率最高而得到廣泛采用。

圖（1） 槽腔粗加工示意圖

（3）圓角加工技術(shù)：為減輕飛機重量，飛機結構件的槽腔轉角處圓角通常較小，需要用直徑較小的銑刀進(jìn)行加工。由于在圓角處切削量突變，導致切削力變化非常大。在切削力突變的情況下，刀具輕易產(chǎn)生振動(dòng)，甚至出現崩刃現象，導致刀具磨損嚴重，加工效率低下。插銑是解決轉角加工效率的最佳途徑。插銑加工比常規銑削振動(dòng)小，走刀方式去除轉角余量的效率高。通過(guò)不同直徑的插銑刀具對轉角處進(jìn)行插銑，可切除大部分轉角余量，再用立銑刀對插銑產(chǎn)生的殘留進(jìn)行清除，可以大幅度提高加工效率。

（4） 精密側銑技術(shù)：在精加工側壁時(shí)，利用銑削的斷續性來(lái)達到高速切削的目的，以提高零件表面質(zhì)量及加工效率。精加工側面時(shí)，由于切寬小，刀齒每轉過(guò)一周的切削時(shí)間很短，即冷卻時(shí)間很長(cháng)。在冷卻充分的情況下，其切削溫度能得到有效地控制，因而可以大幅提高切削速度來(lái)提高加工效率，如圖2、圖3所示。用PVD涂層的整體硬質(zhì)合金銑刀或超密齒硬質(zhì)合金銑刀進(jìn)

行鈦合金的高速切削精加工，可以大幅提高加工效率和加工精度。

（5）仿真優(yōu)化技術(shù)：鈦合金結構零件在粗加工時(shí)切削余量會(huì )不斷變化。目前的CAM軟件所編制的NC程序往往只能設置固定的切削參數，為了避免局部程序由于切削量過(guò)大造成對刀具、機床的沖擊，通常方法是通過(guò)降低整體切削參數來(lái)保證刀具壽命和零件質(zhì)量，從而加工效率極為低下。Vericut的仿真優(yōu)化技術(shù)則可很好地解決該問(wèn)題。通過(guò)Vericut軟件設置切削參數優(yōu)化庫，并用軟件進(jìn)行仿真，通過(guò)仿真對實(shí)際加工余量和切削條件進(jìn)行猜測，根據加工余量和切削條件對程序中的切削參數進(jìn)行優(yōu)化。既延長(cháng)了刀具壽命，保證了零件質(zhì)量，也提高了加工效率。