如何提高鈦合金切削加工的效率

鈦合金材料因比強度高、密度小、耐腐蝕、耐高溫和焊接性好等優(yōu)異性能，在航空領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。基于上述優(yōu)點，鈦合金材料成一些零部件的首選材料。鈦合金的一些物理力學性能給切削加工帶來了較大難度。鈦合金切削時變形系數(shù)小，使得切屑在前刀面上滑動摩擦路程增大，加速刀具磨損。鈦合金導熱系數(shù)小，切削時產(chǎn)生的熱量不易傳出，集中在切削刃附近的小范圍內(nèi)。鈦合金彈性模量小，加工時在徑向力的作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損并影響零件的精度。由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。

鈦合金切削時，切削刃附近區(qū)域切削溫度高，主要是高溫熱效應作用下加劇了刀具磨損。對于硬質(zhì)合金刀具而言，磨損主要是粘結(jié)溫度所引起的粘附磨損。在刀具直徑允許情況下，可以盡量采用帶有內(nèi)部冷卻功能的刀具 ，這種刀具噴出的冷卻液角度恰好集中在刀尖區(qū)域，可有效地降低切削區(qū)域溫度，延長刀具壽命，提高刀具的耐用度。通常內(nèi)冷刀具直徑較大，對于小曲率半徑的曲面或區(qū)域，可以預先采用大直徑帶內(nèi)冷的刀具進行粗加工，以提高加工效率。銑削加工是不連續(xù)的切削過程，加工中刀具承受斷續(xù)的沖擊負荷，在銑削加工中發(fā)現(xiàn)，工藝裝備系統(tǒng)的剛性較差時，在切削力、裝夾力、切削振顫等因素作用下，刀具磨損加劇，耐用度明顯下降。同切削試驗，根據(jù)刀具磨損程度和加工時間確定，但通常留有一定裕度。常規(guī)加工中，機床操作者可以根據(jù)機床振動變化、切削噪聲的突然提高、主軸功率顯示表等判斷刀具磨損的情況。如果加工中應用刀具破損自動監(jiān)測技術(shù)，能夠動態(tài)隨時準確進行刀具磨損狀態(tài)分析、監(jiān)控，則刀具壽命可以安全地適度延長。

鈦合金高效切削參數(shù)獲?。浩髽I(yè)在目前的產(chǎn)品制造中，已經(jīng)滿足了刀具軌跡的優(yōu)化驗證需求，但尚未完全解決優(yōu)化切削參數(shù)的獲取方法問題。近年來，各企業(yè)正在積極研究鈦合金的高效切削技術(shù)。據(jù)悉，西方國家大型鈦合金整體葉盤切削速度可以達到300mm/min或更高。航空發(fā)動機制造企業(yè)所擁有的進口機床先進性與國外企業(yè)相當，切削所采用的刀具相當一部分也是進口刀具，可以說從硬件上已經(jīng)具備了相同的實力，但是加工效率和國外相比差距不小，特別是鈦合金等難加工材料的加工效率亟待提高，經(jīng)分析存在以下一些原因：
（1）有針對性的基礎切削試驗不足，難以得到具有較高切削速度的參數(shù)做工藝決策支撐。
（2）企業(yè)獲取切削參數(shù)渠道有限，通常來自刀具供應商手冊推薦數(shù)據(jù)。這種參數(shù)盡管是來自于國外供應商較為系統(tǒng)的切削試驗數(shù)據(jù)，但試驗條件和環(huán)境與企業(yè)加工零件的工況差異不同，很難完全照搬手冊數(shù)據(jù)。
（3）高效切削參數(shù)試驗和獲取的周期較長。由于企業(yè)機床以產(chǎn)品批量生產(chǎn)為主體，很難抽出專用設備開展專項試驗，切削數(shù)據(jù)的優(yōu)化試驗往往與真實零件的加工同步進行，存在較大風險。特別是在精加工工序，切削后零件表面已經(jīng)無余量，要顧及到萬一切削參數(shù)使用不當，產(chǎn)生斷刀、崩刃或其它極容易引起表面質(zhì)量問題的情況。 因此，高效切削參數(shù)試驗數(shù)據(jù)的選取需要分階段逐步提升，謹慎而行，不可能在較短的周期內(nèi)快速提高。往往需要多個批次、多個零件的加工驗證，乃至持續(xù)數(shù)年，從驗證機到原型機，甚至產(chǎn)品進入定型階段還在進行提高加 工效率的精益改善。
（4）科研院所的研究成果工程化推廣與應用不充分。事實上科研院所對難加工材料的高效加工極為重視，并開展了大量試驗，取得一些成就。但所作的切削試驗不是完全基于發(fā)動機零件的真實加工環(huán)境，包括試驗零件所 選取的工藝特性數(shù)據(jù)例如：零件真實尺寸、結(jié)構(gòu)形狀、零件剛性、裝夾方式、刀具懸伸等等。因而是一種共性的試驗而不是典型特征試驗，因此切削參數(shù)在實際應用中有局限性。作為企業(yè)一方亟需要得到科研院所的技術(shù)支撐，共同合作，以加快企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和提升制造能力的步伐。國外的高效（高速）切削參數(shù)多數(shù)來自設立在企業(yè)的切削實驗室，根據(jù)試驗結(jié)果指導生產(chǎn)現(xiàn)場，通常大型企業(yè)的切削試驗室科研能力與高校不分伯仲。這種科研體制具有針對性強、見效快、易于全面推廣的優(yōu)點。

隨著數(shù)字化制造技術(shù)的飛速發(fā)展，金屬切削過程的有限元仿真作為制造工藝的一種新型技術(shù)，正逐漸融入機械加工領(lǐng)域，是推動未來高效切削工藝快速發(fā)展的途徑之一。通過切削仿真不僅可以預報切削力，分析切削過程中應變、應變率、應力和溫度等狀態(tài)變量的分布，同時還可以預報刀具磨損、工件殘余應力，并進一步優(yōu)化切削參數(shù)。有限元法的引入豐富了鈦合金切削機理的研究手段 。研究學者針對鈦合金加工中的刀具磨損仿真預測進行了研究，建立了綜合考慮刀具多種磨損因素下的仿真模型 ，可在一定程度上實現(xiàn)刀具磨損的仿真預測。隨著數(shù)值計算理論和軟件工具的不斷發(fā)展，切削過程仿真和預測必將在切削加工理論和技術(shù)的研究中起到重要作用。