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，都正在推動對鈦合金的需求。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

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，因此加工一個鈦合金工件需要花費(fèi)的時間約為加工鋼件的4倍。

為了滿足航空制造業(yè)對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，材料硬度是一個關(guān)鍵因素。如果硬度值太低（＜38HRC，鈦合金會發(fā)粘，切削刃容易產(chǎn)生積屑瘤。而硬度值較高（＞38HRC）的鈦合金會對刀具材料產(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于高效、安全的加工至關(guān)重要?！半y加工”是一個相對的概念，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。

在加工航空級鈦合金工件時，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，加工時會產(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。對于鈦合金而言，在因過熱而產(chǎn)生積屑瘤之前，對速度、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?，加工鈦合金只需最?5%的“接合弧長”，與之相比，加工普通鋼材時接合弧長為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，采用外周磨削刀片對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角（以獲得較大的正倒棱）對于增強(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，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)，并避免切削時對整個切削刃產(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，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，這對于深凹腔或深孔加工尤其重要。

加工深凹腔時，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，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。

ATI Stellram公司是Allegheny Technologies旗下ATI Metalworking Products公司的一個業(yè)務(wù)部門，它負(fù)責(zé)對由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，可以滿足對工件材料和切削刀具兩方面的共同需求。

對材料固有結(jié)構(gòu)的全面認(rèn)識使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，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，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（X400、X500和X700），每一種刀片都是針對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：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：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（每個刀片可轉(zhuǎn)位4次）