数控机床应用钛合金高速加工技术

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众所周知，直到目前为止工业界对高速加工技术HSM还未有一种统一、明确、权威和公认的定义。实际上，HSM技术中“高速”是为一种相对性概念，对不同工件材料或不同切削工艺类型其HSM定义的“高速”速度范围则是不同的。钛合金材相对材料可加工性Kr仅为0.22~0.35，属很难切削加工之金属材，其高速切削速度范围（100~1,200m/min）远低于铝合金材（2,500~7,500m/min）。比如一把直径50mm刀具，在主轴转速4,000r/min时其切削速度为628m/min，对铝合金材而言，这挨不上高速的边，但对钛合金材而言，这已是较高速了。显然，用于钛合金材HEM-HSM加工应用的高速数控加工机床明显不同于铝合金材场合，简单地讲，对铝合金材需要高功率高转速主轴的数控加工机床，对钛合金材则需要高功率高转矩主轴的数控加工机床。
　　钛合金材为何难切削加工
　　钛合金材具有高强度、高硬度和低密度材料特性，如钛合金Ti-6Al-4V（简称Ti-6-4）抗拉强度达900MPa，硬度为250～375HB，密度4.42g/cm3，使得钛合金材整体结构件除在现代军用飞机上得到广泛应用外，在现代大型客机上也得到了越来越多的应用，其用材重量占飞机结构总重量百分比数呈现快速上升趋势，并已开始超过了钢结构件。因此，实现钛合金材结构件高效率切削加工已成为大型飞机制造生产之关键。然而，和铝合金材相比，钛合金材属很难加工金属材，其切削加工的难点主要表现在如下若干方面：
　　大切削力
　　众所周知，通常金属材料的硬度和强度越高，则其切削加工所需要的切削力就越大，切削温度就越高，刀具磨损就越快，故相对可加工性也就越差。如铝合金材相对可加工性系数Kr为2.0～7.5，高强度钢Kr为0.3～0.7，钛合金Kr为0.22～0.35，而航空高强度高温合金Kr仅0.07～0.3。因此，和切削加工铝合金等轻金属材相比，钛合金材切削加工需要更大切削力，通常需近1,000～数千牛（Newton，N），是普通钢材的2～4倍，是铝合金材的10～40倍。如用一把4齿直径32mm的端铣刀，切深19mm，以20cm3/min金属切除率切削加工钛合金材时将会产生4,445N（1,000lbs）负载力，若刀具磨损50%，负载力将增加至8,890N。因此，加工钛合金等硬合金材需要大切削力就意味着需要高转矩主轴，或就意味着仅允许使用较低切削速度，大约仅为铝合金材时的10%。
　　高切削温度
　　切削加工钛合金材时，通常切屑与刀具前刀接触面较小，切削点的温度极高，可达1,100~1,200℃左右，切削区高温状态易使刀尖很快熔化或粘结，导致刀具磨损严重。
　　此外，钛合金材热传导系数低，大约仅为合金钢的15%，铝合金材的5%，（钛热传导系数15.24W/mK;钛合金Ti-6-4为7.56W/mK;AISI4340合金钢为44.6W/mK;45号钢为50.2W/mK;7075铝合金为130W/mK），大约80%切削加工过程中所产生的热量传入到刀具中，而不像典型高速切削加工铝合金等金属材那样有75%热量传入到切屑中，传到刀具仅约15%。因此，钛合金切削过程中刀具切削点的高温热量很难由切屑快速带走，加速了刀具磨损。这也就决定了对钛合金材必须采用高压大流量冷却液切削加工。
　　易生成硬化层
　　钛化学活性高，在高温状态下极易发生化学反应，导致切削表面生成硬化层，其深度可达0.1～0.15mm，致使表层硬度大幅度提高，加速了刀具磨损。同时，高化学活性导致加工中切屑与刀具的粘结现象严重，也加速了刀具磨损。
　　高摩擦功
　　钛合金摩擦系数大，导致在切削过程中，切屑流经刀具前刀面时所需摩擦功大，摩擦界面温度极高，进一步加速了刀具磨损。
　　易产生弹性变形和振动
　　钛合金弹性模量小（钛合金Ti-6-4为110kN/mm2，钢Ck45110kN/mm2，210kN/mm2），导致切削时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件加工尺寸精度和加工表面粗糙度，而且已加工面的弹性恢复较大，约为不锈钢的2～3倍，同样可加速刀具磨损。
　　同时，钛合金低弹性模量使其具有明显橡胶特性趋势，容易使刀具切削刃产生屑瘤，同样也可加速刀具磨损，制约了使用高切削速度。
　　低切削速度
　　前面所述的钛合金切削加工中所存在的问题，将会导致其切削过程刀具磨损严重，刀具耐用度降低。因此，为改善钛合金材加工性能，保证切削刀具使用寿命，通常要求切削加工钛合金材使用较低切削速度。如采用传统加工方法切削加工钛合金材零件，其切削速度一般不超过40~50m/min，粗加工时金属切除率mrr一般不超过40cm3/min，而精加工时mrr一般不超过l0cm3/min。而采用HEM-HSM加工时，目前切削速度可达100~1,200m/min，金属切除率mrr最高可达700cm3/min，见右图。但在实际工业生产中一般均低于此最高值以确保刀具具有足够的耐用度，典型切削速度为100~400m/min，金属切除率mrr典型为100~400cm3/min。
　　小刀具接触弧系数
　　为维持高刀具耐用度和改善加工质量，切削加工钛合金材整体构件，一般要求刀具接触弧系数≦40%，在使用较高切削速度（≧120m/min）时则通常要求刀具接触弧系数≦15%，普通钢则可达50-100%。刀具接触弧系数定义为刀具切削宽度WOC（径向切深，RadialDepthofcut）和刀具直径D比值之百分数。此外，工业实践表明：当刀具接触弧系数≦25%时，切削速度可增加50%，而当刀具接触弧系数≦10%时，切削速度可增加100%。
　　鉴于上述钛合金材切削加工之特殊性，因而和切削加工铝合金材相比，对其加工效率、加工精度、加工表面粗糙度、刀具耐用度、颤振抑制和变形控制等都提出更高的要求。为此，世界许多著名的数控机床制造商都对传统高速数控加工机床进行创新性发展，积极推出了适合于钛合金材整体结构件HEM-HSM加工的各种高效高速数控加工机床。如日本Makino公司在其Mason工厂专门成立了钛合金加工技术研究开发中心，并在最近几年推出了多款钛合金材高效高速数控加工机床。
　　对钛合金数控加工机床之基本要求
　　目前，许多机床制造商推出的用于大型铝合金等轻合金材的HEM-HSM切削加工的高效高速数控机床，www.vtoall.com若将它用于对诸如高强度钢、不锈钢、钛合金和航空高温合金等一类具有高强度与高硬度的难加工金属材料实现HEM-HSM加工显然不合适，尽管它也能切削加工这些硬合金材，但其切削效率却是往往无法让人接受。其主要原因在于：
　　如前所述，加工钛合金等硬合金材需要大切削力，或者说需要高转矩主轴，而典型用于铝合金等轻合金材的HEM-HSM切削加工的高效高速数控机床主轴转矩多数都小于100Nm，一般不超过200Nm，不具备高效率加工钛合金等硬合金材的切削加工能力。
　　如前所述，加工钛合金等硬合金材通常仅允许使用较低切削速度，即仅能使用较低主轴转速，而典型用于铝合金等轻合金材的HEM-HSM切削加工的高效高速数控机床主轴转速范围和目前钛合金材加工工艺要求不相适应。
　　因此，对用于钛合金材HEM-HSM加工的数控加工机床结构、刚性、动态特性、主轴与坐标驱动、冷却系统、刀具与刀具接口以及控制系统等许多关键数控部件的设计制造都提出了新要求。主要包含如下若干方面基本要求。