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(shí)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(duì)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(zhǎng)時(shí)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(shí) ， 會(huì)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(duì)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(shí) ， 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(shí)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(shí) ，前刀面和切削位置要避免長(zhǎng)時(shí)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(huì)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(huì)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(duì)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(duì)鈦合金材料的斜面傾角進(jìn)行加工作業(yè)時(shí) ， 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(huì)順利解決這個(gè)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(gè)刀齒的尺寸較小 ， 受到切削厚度較薄的限制 ， 切削時(shí)需要對(duì)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(huì)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(shí)在此部位出現(xiàn)啃刀情況 ， 會(huì)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(duì)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(huì)長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)刀刃有效工作時(shí)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(duì)材料加工表面位置造成腐蝕 。 在進(jìn)行粗加工時(shí) ， 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(shí)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(duì)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(rùn)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(duì)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(dòng) ， 在軸之間做間隙運(yùn)動(dòng) ， 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(shí)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(duì)鈦合金材料不易加工的問題 ， 刀具技術(shù)是重點(diǎn)研究?jī)?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(duì)這一問題 ， 人們?cè)趯?duì)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(guó)外有關(guān)國(guó)家對(duì)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(huì)對(duì)高速鋼銃刀片的抗磨損能力造成何種程度的影響等 。 國(guó)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(duì)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(duì)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(guó)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(duì)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(duì)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(huì)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(zhǎng)較大的加工作業(yè)中,具有顯著抑制振動(dòng)的功能和使用效果 。 對(duì)比傳統(tǒng)鋼制刀桿 ， 其對(duì)材料加工的整體效率提高了將近 3 個(gè)等級(jí) ， 有效節(jié)省了加工時(shí)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(gè)螺旋波形粗加工刃和 2 個(gè)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(shí)排出這個(gè)過程產(chǎn)生的長(zhǎng)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(duì)刀具結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的重視程度 。

現(xiàn)階段 ， 針對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(gè)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(shí)針對(duì)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(duì)具有薄壁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件做加工處理時(shí) ， 應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇對(duì)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(shí) ， 薄壁的兩側(cè)位置就能形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu) ， 同時(shí)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(shì) ， 促進(jìn)鈦合金材料加工作業(yè)的高效進(jìn)行 。

針對(duì)插銃技術(shù)主要有以下幾種應(yīng)用場(chǎng)景 。 首先是對(duì)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(duì)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(zhǎng)加工時(shí)間而無法展開切削的問題 。 最后是針對(duì)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(huì)產(chǎn)生振動(dòng)問題 ， 對(duì)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(shí) ， 人們需要充分考慮機(jī)床 、 刀具和工件的一些動(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guó)在數(shù)控加工領(lǐng)域的實(shí)力 。

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