在許多航空航天應(yīng)用中，鈦及其合金正在取代傳統(tǒng)的鋁合金。如今，航空航天業(yè)消耗的鈦材料約占全球生產(chǎn)總量的42%，并且從現(xiàn)在到2010年，預(yù)計(jì)對(duì)鈦材料的需求將繼續(xù)以兩位數(shù)的速度增長。新一代飛機(jī)需要充分利用鈦合金提供的性能，無論是商用機(jī)還是軍用機(jī)市場(chǎng)，都正在推動(dòng)對(duì)鈦合金的需求。波音787、空客A380、F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)、F-35聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（也稱為閃電Ⅱ）等新機(jī)型都采用了大量鈦合金材料。

鈦合金材料的優(yōu)勢(shì)

鈦合金具有高強(qiáng)度、高斷裂韌性以及良好的抗腐蝕性和可焊接性。隨著飛機(jī)機(jī)身越來越多地采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，鈦基材料用于機(jī)身的比例也將日益增大，因?yàn)殁伵c復(fù)合材料的結(jié)合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金。例如：與鋁合金相比，鈦合金可使機(jī)身結(jié)構(gòu)的壽命提高60%。

鈦合金極高的強(qiáng)度/密度比（達(dá)20∶1，即重量可減輕20%）為減輕大型構(gòu)件的重量（這是對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)師的主要挑戰(zhàn)）提供了解決方案。此外，鈦合金固有的高耐蝕性（與鋼材相比）可以節(jié)省飛機(jī)日常運(yùn)行和維護(hù)保養(yǎng)的成本。

需要更大加工能力

由于比普通合金鋼的加工更為困難，因此通常認(rèn)為鈦合金屬于難加工材料。典型鈦合金的金屬去除率僅為大多數(shù)普通鋼或不銹鋼的25%左右，因此加工一個(gè)鈦合金工件需要花費(fèi)的時(shí)間約為加工鋼件的4倍。

為了滿足航空制造業(yè)對(duì)鈦合金加工日益增長的需求，制造商需要增加生產(chǎn)能力，因此需要更好地理解鈦合金加工策略的有效性。典型的鈦合金工件的加工是從鍛造開始的，直到80%的材料被去除而獲得最終的工件外形。

隨著航空零部件市場(chǎng)的快速增長，制造商們已經(jīng)感到力不從心，加上因鈦合金工件加工效率較低而增加的加工需求，導(dǎo)致鈦合金加工能力明顯處于緊張狀態(tài)。一些航空制造業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)甚至公開質(zhì)疑現(xiàn)有的機(jī)械加工能力能否完成全部新型鈦合金工件的加工任務(wù)。由于這些工件通常是由新型合金制成，因此需要改變加工方式和刀具材料。

鈦合金Ti-6Al-4V

鈦合金有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：α鈦合金、α-β鈦合金和β鈦合金。商用純鈦和α鈦合金不能進(jìn)行熱處理，但通常具有良好的可焊接性；α-β鈦合金可進(jìn)行熱處理，大多數(shù)也具有可焊接性；β和準(zhǔn)β鈦合金完全能進(jìn)行熱處理，且一般也具有可焊接性。

用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身構(gòu)件的大部分普通α-β鈦合金為Ti-6Al-4V（Allvac Ti-6-4，簡稱Ti-6-4），本文用Ti-6-4代表ATI Allvac公司生產(chǎn)的鈦合金，該公司是鈦合金的主要供應(yīng)商（最近與波音公司簽訂了一項(xiàng)25億美元的鈦合金長期供貨合同）。另外，與ATI Allvac公司合作開發(fā)加工解決方案的ATI Stellram公司也采用這些鈦合金代號(hào)來描述加工要求。

Ti-6-4具有優(yōu)異的強(qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞綜合性能，可制成各種產(chǎn)品形態(tài)。退火態(tài)的Ti-6-4可廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件。通過化學(xué)成分的微小變化以及不同的熱機(jī)械處理工藝，用Ti-6-4可生產(chǎn)出各種不同用途的零部件。

鈦合金Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr

Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr（簡稱Ti-5-5-5-3）是一種頗具市場(chǎng)影響力的新型鈦合金。與β鈦合金和α-β鈦合金相比，這種準(zhǔn)β鈦合金可以提供在要求更高抗張強(qiáng)度的飛機(jī)構(gòu)件應(yīng)用中所需的疲勞斷裂韌性。

與傳統(tǒng)鈦合金（如Ti-6-4和Ti-10-2-3）相比，Ti-5-5-5-3具有的可鍛造成復(fù)雜形狀、熱處理后最終抗張強(qiáng)度可達(dá)180ksi（每平方英寸數(shù)千磅）等性能使其成為制造飛機(jī)高級(jí)構(gòu)件和起落裝置最有前途的材料。

通過在β轉(zhuǎn)變溫度以下進(jìn)行溶解熱處理或在β轉(zhuǎn)變溫度以上進(jìn)行退火處理，同時(shí)適當(dāng)控制顯微結(jié)構(gòu)中的晶粒尺寸和沉淀，Ti-5-5-5-3可獲得優(yōu)異的機(jī)械性能。β轉(zhuǎn)變溫度是合成物的特定溫度，在此溫度下合金從α-β顯微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘛@微結(jié)構(gòu)。

化學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)的變化使鈦合金可獲得寬范圍的性能組合，并因此在航空構(gòu)件中獲得廣泛應(yīng)用。Ti-5-5-5-3的加工難度與Ti-6-4相比大約增加了30%，因此應(yīng)用這種新型合金的零件制造商正致力于開發(fā)能夠不縮短刀具壽命、不延長生產(chǎn)周期的相應(yīng)的加工工藝。

加工鈦合金時(shí)，材料硬度是一個(gè)關(guān)鍵因素。如果硬度值太低（＜38HRC，鈦合金會(huì)發(fā)粘，切削刃容易產(chǎn)生積屑瘤。而硬度值較高（＞38HRC）的鈦合金會(huì)對(duì)刀具材料產(chǎn)生磨蝕作用并使切削刃磨損。因此，正確選擇加工速度、進(jìn)給量和切削刀具至關(guān)重要。

對(duì)切削刀具的要求

為了滿足生產(chǎn)成本、加工質(zhì)量和按期交貨等方面的要求，新的工件材料和零件設(shè)計(jì)給航空零部件制造商增加了壓力。這些新材料的加工改變了對(duì)切削刀具的要求，提高金屬去除率、刀具壽命、產(chǎn)品質(zhì)量和可預(yù)期的刀具無破損壽命對(duì)于高效、安全的加工至關(guān)重要。“難加工”是一個(gè)相對(duì)的概念，通過切削刀具與加工參數(shù)的正確組合，也能獲得高效的生產(chǎn)率。

在加工航空級(jí)鈦合金工件時(shí)，切削刀具制造商通過增加基體密度、設(shè)計(jì)特殊的刀具幾何形狀、采用精確的切削刃研磨技術(shù)以及開發(fā)新的涂層技術(shù)以控制刀—工界面產(chǎn)生的切削熱等方法，大大提高了刀具的性能。

在銑削加工中，鈦合金的一個(gè)重要特性就是熱傳導(dǎo)性極差。由于鈦合金材料的高強(qiáng)度和低熱傳導(dǎo)率，加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生極高的切削熱（如果不加控制可高達(dá)1200℃）。熱量不是隨切屑排出或被工件吸收，而是聚集在切削刃上，如此高的熱量將大大縮短刀具壽命。

采用特殊的加工技術(shù)，就有可能提高刀具性能與壽命（采用正確的加工技術(shù)控制溫度，可將溫度降低到250～300℃）。

減少熱量生成

減小刀具與工件的徑向和軸向接合可以控制切削熱的產(chǎn)生。對(duì)于鈦合金而言，在因過熱而產(chǎn)生積屑瘤之前，對(duì)速度、進(jìn)給量、徑向和軸向接合的調(diào)整期限很短。為了達(dá)到適當(dāng)?shù)牡毒邏勖庸も伜辖鹬恍枳畲?5%的“接合弧長”，與之相比，加工普通鋼材時(shí)接合弧長為50%～100%。減少接觸弧長可以提高切削速度，在不損失刀具壽命的前提下提高金屬切除率。

采用切入角為45°的刀具或減薄切屑，可增加刀具切削刃與切屑的接觸長度，從而減少局部高溫，延長切削刃壽命，同時(shí)也允許采用更高的切削速度。

刀片幾何尺寸設(shè)計(jì)

切削鈦合金時(shí)，采用外周磨削刀片對(duì)于最大限度地減小切削壓力以及與被加工表面的摩擦力至關(guān)重要。刀片幾何角度必須采用正角，但這還不足以確保獲得最佳性能。如果為了增強(qiáng)切削刃的第一部分而采用強(qiáng)度較高的小初始角，那么采用較大的次級(jí)角（以獲得較大的正倒棱）對(duì)于增強(qiáng)刀片抗壓性和延長刀具壽命是最佳的幾何設(shè)計(jì)。此外，輕微的鈍化也有助于保護(hù)切削刃，但鈍化尺寸必須與切削過程相協(xié)調(diào)并保持嚴(yán)格的公差。加工鈦合金時(shí)，需要利用鋒利的切削刃剪切材料，但切削刃過于鋒利容易導(dǎo)致崩刃而縮短刀具壽命。適當(dāng)?shù)拟g化可保護(hù)切削刃，避免過早崩刃。正確的刀片幾何參數(shù)可減小對(duì)刀具材料的應(yīng)力和壓力，使刀具獲得更長的壽命和提高加工效率。

刀體和刀片的切削角必須是正角，以獲得累進(jìn)切削效應(yīng)，并避免切削時(shí)對(duì)整個(gè)切削刃產(chǎn)生沖擊而無法獲得期望的剪切效果。如果不這樣做，工件結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變形，使加工無法進(jìn)行。

凹腔銑削與螺旋插補(bǔ)銑削

在進(jìn)行凹腔銑削和螺旋插補(bǔ)銑削時(shí)，必須使用內(nèi)冷卻刀具，如果可能的話，應(yīng)采用恒定壓力的冷卻液，這對(duì)于深凹腔或深孔加工尤其重要。

加工深凹腔時(shí)，采用帶模塊式切削頭的高密度硬質(zhì)合金加長刀具可以提高剛性和減小撓曲變形，獲得最佳加工效果。

冷卻液的功能是將切屑從切削區(qū)清除，避免可能造成刀具早期失效的二次切削。同時(shí)，冷卻液還有助于降低切削刃的溫度，減少工件幾何變形，延長刀具壽命。

用銑刀進(jìn)行螺旋插補(bǔ)銑孔可減少刀庫中其它刀具（如鉆頭等）的使用，采用一種直徑的銑刀即可加工出不同尺寸的孔徑。

隨著鈦合金在航空航天工業(yè)的應(yīng)用不斷增長，支持高效加工鈦合金的切削技術(shù)也在不斷發(fā)展。由于對(duì)鈦合金零件加工能力的大量需求，那些采用最有效加工技術(shù)的車間或制造商將首先受益。

內(nèi)部整合產(chǎn)生新的解決方案

Allegheny Technologies公司是一家多領(lǐng)域制造商，旗下業(yè)務(wù)部門既包括金屬冶煉又包括金屬切削，這兩個(gè)領(lǐng)域的結(jié)合使該公司在開發(fā)先進(jìn)材料（如鈦合金）加工新方法方面具有優(yōu)勢(shì)。

ATI Stellram公司是Allegheny Technologies旗下ATI Metalworking Products公司的一個(gè)業(yè)務(wù)部門，它負(fù)責(zé)對(duì)由ATI Allvac公司開發(fā)的所有新材料進(jìn)行加工性能試驗(yàn)，以確定最佳的刀片設(shè)計(jì)、刀具幾何結(jié)構(gòu)、基體與涂層結(jié)構(gòu)以及切削參數(shù)，使這些新材料在公開上市銷售之前能對(duì)其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效地加工。此外，作為Allvac的代表，Stellram是主要的航空制造企業(yè)和一流的航空機(jī)械零部件供應(yīng)商，可以滿足對(duì)工件材料和切削刀具兩方面的共同需求。

對(duì)材料固有結(jié)構(gòu)的全面認(rèn)識(shí)使ATI Stellram公司在刀具基體獨(dú)特配方的設(shè)計(jì)上具有優(yōu)勢(shì)，其成果之一是X-Grade技術(shù)，ATI Stellram稱，該技術(shù)已被證明是加工難加工材料的一種可靠方案。通過研究和開發(fā)X-Grade技術(shù)，產(chǎn)生了一種新的硬質(zhì)合金牌號(hào)，它可在不穩(wěn)定的加工條件下以極高的金屬去除率有效切削難加工材料。

X-Grade刀片技術(shù)（基體及涂層）

X-Grade刀片采用了釕/鈷合金基體，可以抵抗熱裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，并可獲得較高的金屬去除率。該基體具有較強(qiáng)的晶體結(jié)合矩陣結(jié)構(gòu)，從而改善了切削刃的韌性。據(jù)ATI Stellram稱，該基體材料與新的刀具幾何形狀和涂層相結(jié)合，可為加工航空合金提供卓越的刀具組合。采用X-Grade刀片可以實(shí)現(xiàn)：①金屬去除率提高1倍；②刀具壽命增至3倍；③加工表面光潔度提高30%。

可供選用的X-Grade刀片包括3種牌號(hào)（X400、X500和X700），每一種刀片都是針對(duì)特定的難切削加工而設(shè)計(jì)的。它們可采用標(biāo)準(zhǔn)的刀片型式，大多可安裝在標(biāo)準(zhǔn)刀體的刀片槽內(nèi)。但ATI Stellram稱，最佳方案是采用專門設(shè)計(jì)的刀具以優(yōu)化X-Grade刀片的性能。這些刀具的刀槽設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)最大限度的排屑、強(qiáng)化的槽型和最佳的冷卻。該系列的兩種刀具包括：①7710VR防轉(zhuǎn)鈕扣銑刀：配圓刀片并帶有防止刀片在大進(jìn)給率切削時(shí)發(fā)生位移的專利鎖緊轉(zhuǎn)位系統(tǒng)；②7792VX高進(jìn)給銑刀：與傳統(tǒng)刀具相比，金屬去除率可提高1倍。除高進(jìn)給表面銑削外，7792VX系列刀具還可用于銑凹腔、銑槽和插銑，由于切削力直接沿軸向傳入主軸，因此可減小主軸摩擦，提高切削穩(wěn)定性。

航空鈦合金零件加工案例研究

以下是采用ATI Stellram刀具和X-Grade刀片加工航空鈦合金零件的兩個(gè)實(shí)例。

（1）加工實(shí)例1

被加工零件：鈦合金外覆蓋件（軍用）

工件材料：Ti-6Al-4V（Allvac Ti-6-4合金）

工件尺寸：110"×18"

加工描述：采用配XDLT-D41可轉(zhuǎn)位刀片的ATI Stellram 7792VX高進(jìn)給銑刀進(jìn)行加工，粗銑加工的刀具壽命達(dá)到156分鐘。

銑刀：C7792VXD12-A3.00Z5R；刀槽數(shù)量：5

刀片：XDLT120508ER-D41；牌號(hào)：X500（采用X-Grade技術(shù)設(shè)計(jì)）

軸向切削深度ap：0.080"

徑向切削寬度ae：2.100"

切削速度vc：131sfm

每齒進(jìn)給量fz：0.023ipt

進(jìn)給率：19.2ipm

刀具壽命：156分鐘/每次轉(zhuǎn)位（每個(gè)刀片可轉(zhuǎn)位4次）

（2）加工實(shí)例2

被加工零件：軍用飛機(jī)的渦輪葉片（新應(yīng)用）

工件材料：全鈦合金

葉片尺寸：23.6"×11.8"

加工描述：采用配防轉(zhuǎn)圓刀片的ATI Stellram 7710VR銑刀加工螺旋槳葉片，粗銑加工的刀具壽命達(dá)到110分鐘。

銑刀：C7710VR12-A2.00Z5R；刀槽數(shù)量：5

刀片：RPHT1204MOE-421-X4；牌號(hào)：X700（采用X-Grade技術(shù)設(shè)計(jì)）

軸向切削深度ap：0.080"～0.100"

徑向切削寬度ae：0.800"～1.37"

切削速度vc：265sfm

每齒進(jìn)給量fz：0.0086ipt

進(jìn)給率：21.8ipm

刀具壽命：110分鐘/每次轉(zhuǎn)位（每個(gè)刀片可轉(zhuǎn)位4次）