現今,鋁合金材高效高速數控加工機床技術已相當成熟,並得到了廣泛應用。隨著鈦合金材整體構件在大型飛機上的應用增多,其切削加工的低效已成為大型飛機快速製造的瓶頸,配置有高功率高轉矩主軸的鈦合金材高速數控MC機床已成為許多航宇製造業用戶特別關注和優先考慮的現代化先進關鍵製造裝備之一。所有這些,促使工業界更加關注鈦合金材HEM-HSM加工技術及其裝備的發展與工業應用。世界許多著名數控機床和主軸製造商也都加強了對該技術領域的開發研究力度,一些機床製造商甚至還成立專門的研發中心,積極為航宇製造業推出了多種類型用於大型複雜鈦合金材整體結構件HEM-HSM加工應用的數控加工機床。

眾所周知,直到目前為止工業界對高速加工技術HSM還未有一種統一、明確、權威和公認的定義。實際上,HSM 技術中高速是為一種相對性概念,對不同工件材料或不同切削工藝類型其HSM定義的高速速度範圍則是不同的。鈦合金材相對材料可加工性Kr僅為0.22~0.35,屬很難切削加工之金屬材,其高速切削速度範圍(100~1,200m/min)遠低於鋁合金材(2,500~7,500m/min)。比如一把直徑50mm刀具,在主軸轉速4,000r/min時其切削速度為628m/min,對鋁合金材而言,這挨不上高速的邊,但對鈦合金材而言,這已是較高速了。顯然,用於鈦合金材HEM-HSM加工應用的高速數控加工機床明顯不同於鋁合金材場合,簡單地講,對鋁合金材需要高功率高轉速主軸的數控加工機床,對鈦合金材則需要高功率高轉矩主軸的數控加工機床。

鈦合金材為何難切削加工

鈦合金材具有高強度、高硬度和低密度材料特性,如鈦合金Ti-6Al-4V(簡稱Ti-6-4)抗拉強度達900MPa,硬度為250375HB,密度4.42 g/cm3,使得鈦合金材整體結構件除在現代軍用飛機上得到廣泛應用外,在現代大型客機上也得到了越來越多的應用,其用材重量占飛機結構總重量百分比數呈現快速上升趨勢,並已開始超過了鋼結構件。因此,實現鈦合金材結構件高效率切削加工已成為大型飛機製造生產之關鍵。然而,和鋁合金材相比,鈦合金材屬很難加工金屬材,其切削加工的難點主要表現在如下若干方面:

大切削力

眾所周知,通常金屬材料的硬度和強度越高,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,故相對可加工性也就越差。如鋁合金材相對可加工性係數Kr2.07.5,高強度鋼Kr0.30.7,鈦合金Kr0.220.35,而航空高強度高溫合金Kr0.070.3。因此,和切削加工鋁合金等輕金屬材相比,鈦合金材切削加工需要更大切削力,通常需近1,000數千牛(NewtonN),是普通鋼材的24倍,是鋁合金材的1040倍。如用一把4齒直徑32mm的端銑刀,切深19mm,以20 cm3/min金屬切除率切削加工鈦合金材時將會產生4,445N (1,000 lbs)負載力,若刀具磨損50%,負載力將增加至8,890N。因此,加工鈦合金等硬合金材需要大切削力就意味著需要高轉矩主軸,或就意味著僅允許使用較低切削速度,大約僅為鋁合金材時的10%

高切削溫度

切削加工鈦合金材時,通常切屑與刀具前刀接觸面較小,切削點的溫度極高,可達1,100~1,200左右,切削區高溫狀態易使刀尖很快熔化或粘結,導致刀具磨損嚴重。

此外,鈦合金材熱傳導係數低,大約僅為合金鋼的15%,鋁合金材的5%,(鈦熱傳導係數15.24 W/mK;鈦合金Ti-6-47.56 W/mKAISI 4340 合金鋼為44.6 W/mK45號鋼為50.2 W/mK7075鋁合金為130W/mK),大約80%切削加工過程中所產生的熱量傳入到刀具中,而不像典型高速切削加工鋁合金等金屬材那樣有75%熱量傳入到切屑中,傳到刀具僅約15%。因此,鈦合金切削過程中刀具切削點的高溫熱量很難由切屑快速帶走,加速了刀具磨損。這也就決定了對鈦合金材必須採用高壓大流量冷卻液切削加工。 

 

資料來源:中國金屬加工網



 
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