鈦合金材料高效高速加工機(jī)床應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

■ 沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （遼寧 110142） 徐吉存 陳洪軍 曹文智 羅和平

在航空工業(yè)中，鈦合金結(jié)構(gòu)件大量采用薄壁件和桁架結(jié)構(gòu)，通常90%以上的余量需要由切削加工方法來(lái)去除，鈦合金的切削加工量大，加上鈦合金固有的難加工特性，使鈦合金零件的加工時(shí)間長(zhǎng)、成本高，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了原材料本身的成本。因此，針對(duì)鈦合金加工工藝特性，設(shè)計(jì)研發(fā)高效高速鈦合金切削機(jī)床是目前國(guó)內(nèi)外機(jī)床企業(yè)的重要課題之一。

1. 鈦合金物理特性

鈦合金按金屬組織類型分為：α（TA表示）、β（TB表示）、α+β（TC表示）。TC4合金根據(jù)精煉程度分為普通TC4和TC4（ELI），其物理性質(zhì)和化學(xué)成分如表1、表2所示。該合金現(xiàn)在占到鈦合金總產(chǎn)量的50%，占到全部鈦合金加工件的95%。

表1 Ti6Al4V合金物理性質(zhì)

表2 Ti6Al4V合金與Ti6Al4V（ELI）合金的成分（%）

2. 加工特性

鈦合金材料相對(duì)可加工性Kr僅為0.22～0.35，屬很難切削加工的金屬材料，其高速切削速度范圍（100～1 200m/min）遠(yuǎn)低于鋁合金材料（2 500～7 500 m/min）。其切削加工的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下若干方面：

（1）大切削力：通常金屬材料的硬度和強(qiáng)度越高，則其切削加工所需要的切削力就越大，切削溫度就越高，刀具磨損就越快，故相對(duì)可加工性也就越差。如鋁合金材料相對(duì)可加工性系數(shù)Kr為2.0～7.5，高強(qiáng)度鋼Kr為0.3～0.7，鈦合金Kr為0.22～0.35。因此，和切削加工鋁合金等輕金屬材料相比，鈦合金切削加工需要更大切削力，通常超過(guò)1 000N，是普通鋼材的2～4倍，是鋁合金材料的10～40倍。

（2）高切削溫度：切削加工鈦合金材時(shí)，通常切屑與刀具前刀接觸面較小，切削點(diǎn)的溫度極高，可達(dá)1 100～1 200℃左右，切削區(qū)高溫狀態(tài)易使刀尖很快熔化或粘結(jié)，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重。這也就決定了對(duì)鈦合金材料必須采用高壓大流量冷卻液切削加工。

（3）易生成硬化層：鈦合金化學(xué)活性高，在高溫狀態(tài)下極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致切削表面生成硬化層，其深度可達(dá)0.10～0.15mm，致使表層硬度大幅度提高，加速了刀具磨損。

（4）易產(chǎn)生彈性變形和振動(dòng)：鈦合金彈性模量小，導(dǎo)致切削時(shí)易產(chǎn)生彈性變形和振動(dòng)，不僅影響零件加工尺寸精度和加工表面粗糙度，而且已加工面的彈性恢復(fù)較大，約為不銹鋼的2～3倍。 同時(shí)，鈦合金低彈性模量使其具有明顯橡膠特性趨勢(shì)，容易使刀具切削刃產(chǎn)生積屑瘤，同樣也可加速刀具磨損，制約了使用高切削速度。

（5）低切削速度：采用傳統(tǒng)加工方法切削加工鈦合金材料零件，其切削速度一般不超過(guò)40～50m/min，粗加工時(shí)金屬切除率（mrr）一般不超過(guò)40cm3/min，而精加工時(shí)mrr一般不超過(guò)l0cm3/min。而采用高效高速加工技術(shù)，目前切削速度可達(dá)100～1 200m/min，金屬切除率最高可達(dá)700cm3/min。但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中一般均低于此最高值以確保刀具具有足夠的耐用度，典型切削速度為100～400m/min，典型金屬切除率為100～400cm3/min。

（6）小刀具接觸弧系數(shù)：為維持高的刀具耐用度和改善加工質(zhì)量，切削加工鈦合金材料整體構(gòu)件，一般要求刀具接觸弧系數(shù)≤40%，在使用較高切削速度（≥120m/min）時(shí)則通常要求刀具接觸弧系數(shù)≤15%。工業(yè)實(shí)踐表明：當(dāng)?shù)毒呓佑|弧系數(shù)≤25%時(shí)，切削速度可增加50%，而當(dāng)?shù)毒呓佑|弧系數(shù)≤10%時(shí)，切削速度可增加100%。

鑒于上述鈦合金材料切削加工的特殊性，世界許多著名的數(shù)控機(jī)床制造商都對(duì)傳統(tǒng)高速數(shù)控加工機(jī)床進(jìn)行創(chuàng)新性研發(fā)，積極推出了適合于鈦合金材整體結(jié)構(gòu)件的各種高效高速數(shù)控加工機(jī)床。

3. 鈦合金加工機(jī)床特點(diǎn)

目前，許多機(jī)床制造商推出的用于大型鋁合金等輕合金材料的高效高速數(shù)控機(jī)床，若將它用于對(duì)鈦合金和航空高溫合金等一類具有高強(qiáng)度與高硬度的難加工金屬材料實(shí)現(xiàn)高速加工顯然不合適，盡管也能切削加工這些硬合金材料，但其切削效率卻往往無(wú)法讓人接受。其主要原因在于：

一是加工鈦合金等硬合金材需要大切削力，或者說(shuō)需要高轉(zhuǎn)矩主軸，而典型用于鋁合金等輕合金材料的高速切削加工的高效高速數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)矩多數(shù)都小于100N·m，一般不超過(guò)200N·m，不具備高效率加工鈦合金等硬合金材的切削加工能力。

二是加工鈦合金等硬合金材料通常僅允許使用較低的切削速度，即僅能使用較低主軸轉(zhuǎn)速，而典型用于鋁合金等輕合金材料的高速切削加工的高效高速數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速范圍和目前鈦合金材料加工工藝要求不相適應(yīng)。

因此，對(duì)用于鈦合金材料高速加工數(shù)控加工機(jī)床結(jié)構(gòu)、剛性、動(dòng)態(tài)特性、主軸與坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)、冷卻系統(tǒng)、刀具與刀具接口以及控制系統(tǒng)等許多關(guān)鍵數(shù)控部件的設(shè)計(jì)制造都提出了新要求。

（1）高功率高轉(zhuǎn)矩主軸。為取得大切削力，則應(yīng)采用較低主軸轉(zhuǎn)速，或要求主軸能提供足夠高的額定功率轉(zhuǎn)速比，通常要求大于0.1。這就要求鈦合金材料加工數(shù)控機(jī)床主軸額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)不低于1 000N·m數(shù)量級(jí)。

通常，對(duì)鈦合金材料高效加工（HEM）時(shí)要求主軸轉(zhuǎn)速低于1 000r/min，典型為200～400 r/min，主軸轉(zhuǎn)矩300～1 500N·m；高速加工（HSM）時(shí)典型主軸轉(zhuǎn)速為3 000～8 000r/min，典型轉(zhuǎn)矩為80～250N·m。

圖1給出了目前用于鈦合金材料高速加工時(shí)較理想的主軸功率/轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線趨勢(shì)。顯然，這是一種高功率高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速調(diào)控的主軸特性曲線，和用于鋁合金材料高速加工的高功率高轉(zhuǎn)速調(diào)控的主軸特性曲線有明顯不同。正因?yàn)檫@種明顯差別，有人形象地將鋁合金材高速加工機(jī)床比喻為F1賽車，而將鈦合金材高速加工機(jī)床比喻為重型推土機(jī)。

（2）高剛性與高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。由于加工鈦合金等難加工材料時(shí)需要高功率高轉(zhuǎn)矩主軸，因而除要求主軸本身具有高剛性外，還要求機(jī)床應(yīng)比加工鋁合金材時(shí)具有更高的剛性（包括高靜剛性、高動(dòng)剛性和高熱剛性）和更高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性（高定位/重復(fù)定位精度、高進(jìn)給速度和高加速度）。同時(shí)要求機(jī)床坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)具有足夠高的驅(qū)動(dòng)力，特別是帶旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸時(shí)，要求旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)能提供足夠高的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，一般要求不低于1 000N·m，典型為2 000～5 000N·m，對(duì)大重型機(jī)床甚至需數(shù)千N·m到20 000N·m。

（3）高可靠刀具接口。使用高功率高轉(zhuǎn)矩主軸切削加工，要求機(jī)床主軸刀具接口裝置具有足夠大的拉緊力和能傳遞大扭矩的能力。同時(shí)，為抑制低頻加工振蕩，也要求刀具接口裝置具有高剛性。因而，鈦合金材料高效高速數(shù)控加工機(jī)床一般配置HSK-A100，典型為HSK-A125，甚至使用HSK-A160。

圖1 鈦合金切削理想主軸特性曲線趨勢(shì)

（4）低頻加工穩(wěn)定性。高效率加工鈦合金或航空高溫合金等難加工材料整體構(gòu)件時(shí)，僅允許使用較低的切削速度，即較低的主軸轉(zhuǎn)速（可低于100r/min）。因此，取得低頻加工穩(wěn)定性是用于鈦合金等硬合金材料切削加工數(shù)控機(jī)床所必須滿足的基本要求之一。

（5）高壓大流量冷卻系統(tǒng)。為了有效提升設(shè)備加工生產(chǎn)率，延長(zhǎng)設(shè)備與刀具使用壽命，改善零件加工質(zhì)量，用于鈦合金等難加工材料結(jié)構(gòu)件的高速加工數(shù)控機(jī)床，通常設(shè)計(jì)有高壓大流量（HPHV）液壓冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)。HPHV系統(tǒng)一般包括直接貫通主軸/刀具高壓冷卻系統(tǒng)（HPTC），通過(guò)多個(gè)外部噴嘴噴射的外噴式切削刀具和工件的高壓冷卻系統(tǒng)，以保持主軸良好運(yùn)行性能，快速冷卻刀具工件和沖排切屑，提高零件加工質(zhì)量，增加刀具使用壽命。采用HPHV冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)的高效高速數(shù)控機(jī)床，要求大于720psi（5MPa），常用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為 1 000～2 000psi（7～1 4 M P a），當(dāng)壓力為1 000psi時(shí)，一般要求流量不低于30L/min（8glm）。

（6）高裝備與制造工藝融合集成性。使用較低切削速度，就意味著加工鈦合金材料構(gòu)件需要較長(zhǎng)的加工周期。通常對(duì)鈦合金TC4零件加工時(shí)間典型為普通鋼零件的2～4倍，是典型鋁合金材料的10～12倍，而加工Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 和Ti-10V-2Fe-3Al 新型鈦合金材料零件一般又比加工TC4鈦合金材料要長(zhǎng)一倍時(shí)間。這就導(dǎo)致鈦合金材料整體結(jié)構(gòu)件切削加工生產(chǎn)率低，加工成本較高。

因此，為提高鈦合金材料零件切削加工生產(chǎn)率，降低加工成本，適應(yīng)批量定制生產(chǎn)，許多數(shù)控機(jī)床制造商采用托盤化加工，或多主軸加工，或多工作臺(tái)（區(qū)）加工，或銑車復(fù)合加工，或輕硬合金材復(fù)合加工等制造工藝技術(shù)融合集成在鈦合金材料高效高速數(shù)控加工機(jī)床上，以提高加工生產(chǎn)率，降低加工成本。

4. 國(guó)外主要鈦合金加工機(jī)床特點(diǎn)及性能

國(guó)外多家機(jī)床廠商都在研究開發(fā)鈦合金高速高效加工機(jī)床，如意大利J O B S公司、德國(guó)Handtmann公司、美國(guó)MAG Cincinnati機(jī)床公司和日本Makino公司等。

例如，大型數(shù)控機(jī)床制造商意大利JOBS公司新推出的專用于大型鈦合金材料高速高效加工的立式五軸數(shù)控龍門加工中心Tarkus可作為這類機(jī)床的一典型實(shí)例，如圖2所示。該機(jī)床主要用于鈦合金、不銹鋼和航空高溫合金等硬合金的切削加工，最大特點(diǎn)是：機(jī)床龍門采用了全封閉立臥雙框結(jié)構(gòu)（Dual-Frame HV structure），其X向龍門框架為固定的，通過(guò)工作臺(tái)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)X軸運(yùn)動(dòng)，工件在龍門架之下，Z向龍門框架可上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)Z軸運(yùn)動(dòng)。

圖2 Tarkus立式五軸數(shù)控龍門加工中心

主軸裝置在Z向上沒(méi)有任何可移動(dòng)的部件，主軸Z向運(yùn)動(dòng)就像機(jī)床本身在運(yùn)動(dòng)一樣。這樣，刀具切削點(diǎn)無(wú)論是遠(yuǎn)離還是接近工作臺(tái)面，對(duì)主軸裝置而言都是一樣的，確保了在整個(gè)Z軸行程內(nèi)的高精密加工品質(zhì)。

同時(shí)，這種立臥雙框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可提高機(jī)床結(jié)構(gòu)剛性，減振性能優(yōu)良，工作穩(wěn)定。Tarkus機(jī)床配有機(jī)械驅(qū)動(dòng)與液壓夾緊的高剛性帶兩旋轉(zhuǎn)軸的主軸銑頭T35，A擺動(dòng)軸+120°/－15°，C旋轉(zhuǎn)軸360°連續(xù)，主軸功率42kW，轉(zhuǎn)矩1 470N·m，基速270r/min，最高轉(zhuǎn)速4 000 r/min，刀具接口HSK-A100。機(jī)床采用了全封閉防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，X/Y/Z工作行程：3 300（4 500）mm/2 100mm /1 000mm，進(jìn)給速度32m/min；工作臺(tái)面3 000mm×1 500mm，配置有70MPa高壓冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)。銑頭液壓夾緊力達(dá)10 000N·m，可滿足3坐標(biāo)大負(fù)載加工應(yīng)用需求。

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