钛合金具有良好的强度/密度比和较高的耐腐蚀性,因而,备受航空业者的青睐。随着碳纤维复合材料在现代飞机上的大量采用,也就促使钛合金应用的大幅度增加。 然而,由于钛合金原料价格较高(目前,至少比铝合金贵25倍),又难于加工,单位时间的材料切除量很低,加工费用和刀具费用很高,由此大大地增加了钛构件的成本,例如,一个Ti6AL4V材质的涡轮增压压缩机叶轮其切削加工费用就占到单件成本的50%。降低钛合金构件的成本已成为加工业领域里人们关注的重点。
在1996-2000年的这11年间,铝合金的单位时间材料切除量提高了3倍,2000年达到7000cm3/min。目前差不多达到了12000cm3/min。然而,在这期间钛合金的单位时间材料切除量却停留在约50cm3/min很低的水平上,前些年,通过高压冷却也只达到450cm3/min这样的水平。如在“飞机制造业中钛合金材料的应用”一文中,图3所示A350空中客车钛合金结构件的例子,要从550kg重的锻件加工到仅仅25kg的成品,其材料切除率高达95,4%,其加工时间之长是可想而知了。
钛合金之所以难于切削主要是钛合金很高的强度和特别差的热导率。切削时会产生较大的切削力,大部分的切削热(约75%)传给了切削刀刃,使刀具承受很高的机械负载和热负载,刀具由此产生剧烈磨损。加工时只得采用较低的切削速度和进给速度,降低了加工效率; 其次是很高的切削热致使切削刀刃与钛合金材料发生粘结,形成积屑瘤,影响加工质量; 另外是,钛合金比较低的弹性模量,在切削力作用下构件会产生变形,后又发生回弹,引起震动。从而影响到构件的加工精度和加工的正常进行。这样,就给传统切削造成极大的困难,带来严峻的挑战。
针对钛合金难加工的其体情况和结合大流量润滑的经验,在80年代,人们开发了高压冷却润滑技术,在目前,该技术还仍然是钛合金加工所采用的主要辅助技术。高压冷却润滑技术是通过很高的冷却润滑液压力、足够的流量和形成精确对准切削刀刃和切屑之间接触区的高能量射流,以对切削刀刃进行有效冷却并有效控制断屑。并与刀具材料、几何角度和涂层以及刀夹、机床和润滑液等系统技术的优化相结合,由此提高了刀具耐用度(约50%),改善加工质量和生产效率。然而,高压冷却润滑在极短的时间里很难阻止热引起的刀具磨损。为进一步提高钛合金的切削效率和减少刀具磨损,开发新的高效加工工艺是切削技术领域的一个重要任务。
在这样的背景下,开发钛合金的高效加工技术就成为工业大学、科研单位、刀具和机床等行业的重要研究课题。近年来,亚琛工业大学的机床试验室则对不同的低温辅助切削开展了研究,采用液态氮(-1960℃)和液态二氧化碳(-820℃)进行辅助切削,极低温度的液态氮喷向切削区,有效降低了刀具的温度,并使切屑脆化。这不仅减少了由热负载引起的磨损,而且也有利于断屑。因此可允许采用更高的切削参数,提高了切削效率。
在“飞机制造业中钛合金材料的应用”这篇译文中,介绍了Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所(PTW)在这方面所进行的研究工作,文中介绍了激光和电磁感应辅助热切削两种混合加工工艺的特点。其中的激光辅助切削工艺则是由慕尼黑工业大学的机床和企业管理研究所与Pokolm铣削技术公司领导下的临时性企业联合组织合作开展的,一项由德国教育和研究部资助的钛合金激光辅助铣削混合加工工艺的研究项目,这两种工艺是通过给工件切削区附近进行局部加热,促使工件材料产生软化,然后工件在软化状态下进行切削,由此降低切削力和减少了刀具的机械负载和热负载,从而达到提高刀具的使用寿命和切削效率的目的。在这两种混合加工工艺中,电磁感应辅助同激光辅助切削不同,通过其感应器频率的变化,可以改变热渗透的深度,并且可使加热深度达到15 mm. 这样的加热深度,恰恰在粗加工时可以有助于显著提高单位时间材料的切除量。
在目前,不论是加热辅助还是低温辅助的切削方法,还是处在切削辅助过程的试验研究阶段,今后还需为这种工艺方法开发必要的系统技术。而高压冷却已是一种成熟的技术。为了能采用高的切削速度和进给速度,进一步提高钛加工的生产率,则通过高压大流量冷却润滑液(如极高的压力,达35 Mpa,流量达65 L/min),结合刀具材料、刀具几何角度和涂层以及机床和刀夹等相关技术的进一步优化还是具有重要的意义。
然而,为了进一步提高切削参数,提高单位时间材料切除量,仍需要通过创新的切削工艺,才能提高钛合金的加工效率。没有现代的钛合金切削技术,就没有现代的飞机制造。