鈦和鈦合金加工技術的發展近況
2011-05-26 03:26:32中國機械工程學會高級會員沈福金
世界制造技術與裝備市場 2011年4期
中國機械工程學會 高級會員 沈福金
鈦和鈦合金加工技術的發展近況
The trends of titanium and titanium alloys machining technology
中國機械工程學會 高級會員 沈福金
在航空、航天工業部門，用輕質材料的輕型結構件越來越多。輕質材料除鋁合金外，主要是鈦、鈦合金和碳素纖維增強型復合材料 （以下簡稱CFK）及銦康鎳合金 （Inconel）等。鈦和CFK的應用日趨廣泛，如在空客A-330飛機上鋁構件的重量占比仍達70%，而在A-350 XWB飛機上，鋁構件則減少為20%，CFK由5%提高到50%以上。但由于CFK和鋁之間的電化學電位差大的原因，這兩種材料的接觸部位很容易產生腐蝕作用。而用鈦合金代替鋁時，這種引起腐蝕的電位差降低約80%，顯然在接觸部位鈦勝過作為輕金屬的鋁。因此，飛機制造商要求在接觸部位盡可能用鈦件替代鋁件。結果在新機型中，鈦制零件從5%增加到14%以上，具體在波音B-787和空客A-350飛機上，鈦合金構件所占比例在15%～20%之間。
由于鈦和鈦合金具有重量輕、強度如鋼、比重只有一半，且堅固、韌性好、抗腐蝕、熱穩定性好等非凡的特性，在航空和航天工業、生物醫藥，以及化學和石油工業中應用廣泛。特別是在開發新飛機時，除CFK應用增多外，由鈦或鈦合金制造的主要輕型結構件也越來越多，如飛機機身結構件、起落架構件或渦輪機部件等都是由鈦或鈦合金制作的，所以，航空部門以70%以上的消費量構成鈦產品的最大市場。而歐洲有專家估計，金融危機后的未來20年，世界主要飛機制造商將提供25000架客機和貨機。可見，CFK件以及鈦和鈦合金件的切削加工數量會快速增加。尤其是為了減小內應力，鈦或鈦合金部件通常是由整塊材料雕銑加工而成的。在飛機工業中，鈦結構件的切除率可達90%以上。據報道波音B-787飛機的90多噸的鈦合金毛坯件，經切削加工成成品結構件后的總重量不足11t，可見切除量之大。鈦材料的高強度、耐磨、耐高溫等使用性能的優點很突出。但其可切削性差，加工困難，加工費用較高。盡管如此，鈦在飛機制造中，現在已是不可或缺的材料。如何提高鈦合金件的加工效率、降低制造成本的研究探索一直沒有停止，并不斷取得進展。
大家知道，鈦合金材料的可切削性能很差，這是由于其彈性模量低、切削力大和導熱性差的緣故。尤其是因導熱性差，鈦合金切削加工時的大部分熱量都留給了刀具，而不像鋁切削加工時那樣，75%以上的切削熱由切屑帶走了。這意味著刀具的熱負荷巨大，刀刃上的高溫，再加上溫度梯度大而導致刀刃上熱應力增大，最終使刀具損壞。為了降低制造成本，提高切除率即單位時間內的切除量是常用的方法，但用在加工鈦材料上就不那么簡單了。在飛機制造中，許多鈦合金構件常用的加工方法是型腔銑削，加工質量是頭等重要的。因此，鈦加工對機床、刀具和加工策略都提出了特殊要求。不同的結構件自然要用不同的加工策略，但對機床和刀具提出了許多特殊要求，必須通盤考慮，予以解決。
我國航空、航天工業的快速發展，也要在生產中解決CFK和鈦合金之類難加工材料的加工難題。現在僅就鈦或鈦合金的加工特點和加工技術方面的發展情況歸納探討如下。
一、鈦合金加工對機床的要求
鈦合金的特性是強度高、導熱性差。為了能達到像加工鋁那樣的切削效率，要盡可能提高切削參數，即加大進給和切深，從而導致加工切削力增大，這可能引起工件和刀具之間產生靜態偏差，進而引起零件的形狀精度變壞或加工過程不穩定，還會加快刀具的磨損。為此，用于鈦合金加工的機床必須具有大功率和盡可能好的靜、動態特性 （靜、動態剛度高）；還需要配備相應的高壓冷卻潤滑設備，以便在低轉速、大扭矩加工情況下及時清除切屑，以減少刀具磨損和減少加工過程中產生的熱量傳給刀具。為了提高機床的剛度，一些機床制造商采用箱中箱結構或封閉式框架的焊接鋼結構；進給軸用大功率進給電機驅動和高剛度無間隙導向系統，到了加工位置能夾緊，以進一步提高機床剛度；此外，還必須提高包括主軸-刀具-連接部位，以及刀柄夾持器在內的整個系統在加工過程中的剛度。
除了靜態剛度外，機床的動態特性對于卓有成效的鈦合金加工也是起決定性作用的。控制加工過程的穩定性是一個巨大挑戰。如果機床的剛性低和阻尼特性差，由于切削過程中切削力大、轉速較低和激振頻率與機床自身固有頻率相近等動力學效應，可能出現自激振動，導致加工過程振顫。這種顫振除了影響工件表面質量 （有振紋）外，還會導致機床結構、刀具主軸和刀具產生過載而受損，刀具磨損增大甚至斷裂。加工過程的穩定性主要取決于所選用的主軸轉速、切深等參數。使用者要了解機床的性能和可能達到的極限切深，還可以主動積極地對機床采取諸加消振墊、在機床控制裝置里預先置入參數避開極限切深小的轉度范圍等防振措施，以進一步提高機床的抗振性。
鈦合金的切削加工屬于強力切削，所以機床刀具主軸要有大的驅動功率，具有大功率強力切削功能。在航空工業中，鈦合金構件的加工以型腔銑削居多，為便于切屑清除，要管理好冷卻潤滑裝置，使大量高壓冷卻潤滑劑直接噴向刀具切削刃。這樣，一方面冷卻刀具，另一方面可更好地及時把切屑沖出加工區，以免切屑遭多次切割而降低刀具壽命，擦傷加工面。為使機床具有大功率切削功能，德國Heller公司有針對性地設計、布置機床結構和坐標軸結構，并配用了剛度極好的強力切削擺動單元安裝刀具主軸，使機床在垂直、水平和空間任意角度都能產生同樣的切削功率。
一句話，加工鈦金屬的機床要求大功率、高剛度、配有大流量高壓冷卻裝置，并且還要接近性好。
二、適合鈦合金加工的刀具技術的最新發展
由于鈦的導熱性差，切削過程產生的熱量大部分留在了刀具和刀刃上，所以，加工鈦合金是一種條件惡劣的強力切削，刀具對于鈦合金加工的成功與否，起著不可替代的關鍵作用。加工鈦合金的刀具必須強度高、耐熱、耐磨損。飛機制造商希望使用的刀具壽命長，加工過程安全可靠。這對于一個刀具制造商來說，無疑是一個很大的技術挑戰。面對需求和挑戰，許多刀具開發者和科研機構及航空航天部門緊密合作，積極研究開發，大大推動了刀具技術的快速發展，一批適合切削鈦合金等難加工材料的高性能刀具新產品不斷問世
例如，一個法國刀具制造商Safety公司專門為飛機制造而新開發的Aerolong和Aerofinish銑刀 （如圖1所示），主要用于飛機機身和起落架的深腔粗、精銑削加工。在起落架框架上粗銑深腔時，也可選用
圖1 法國Safety公司開發的最適合加工高強度耐熱材料標準刀具，自左至右Poly-mill面銑刀，Aerolong圓柱平面銑刀，Aerofinish精整加工銑刀
Safety的Penta High-Feed（帶正五角形刀片的大進給平面銑刀）大功率銑刀或Orbi-Saf銑刀，精加工時用新的Aerofinish銑刀。雖然Sefety刀具的刀刃幾何形狀精確，刀具材料為新發明的大功率切削材料，刀具壽命也很好；但在加工鈦合金材料時，要提高切削速度和切屑厚度都會受到技術限制。若要進一步提高生產率，就要用耐磨的刀具材料并增加刀齒布置密度，以增加同時參與切削的刀刃數。為此，法國刀具專家開發了名為Sidelok的刀片夾緊系統。刀片沒有中心孔，而是用螺釘擰緊的方式使刀片牢固夾緊，因此更穩定，并在刀體上可提供多達2倍的刀片位置。雙倍的刀齒參與切削，直接增大了銑刀每轉進給量f，即f為每齒進給f z與刀齒數Z的乘積 (f=f z×z)。這樣，生產率可提高50%。
加工鈦合金 （例如TiAl6V4）或銦康鎳合金 （Inconel 718）可用專門開發的PVD-TiAlN鍍層的硬質合金銑刀，切深4mm，進給0.08mm，壽命達到35min，這就是很好的結果了。對于加工銦康鎳合金來說，切削速度達34m/min就意味著近乎高速切削。為了提高刀具壽命，專為加工航空合金材料而開發的大功率刀具材料-2003硬質合金新品種，命名為“Microform”。通過專門的方法把它制備成粉末并燒結，再直接壓制成刀片。這樣就制成了優異的質地均勻、顆粒結構精細的刀具材料，基質非常堅硬，維氏硬度大約2000HV，幾乎像剛玉或藍寶石那么硬。因此，最適合切削難加工材料。用微縮技術壓制的刀片，材質沒有夾雜物，極其柔硬的切削刃呈現很好的熱硬性。
新的Aerofinish航空精加工刀具用于精細加工性能很突出，Sidelok夾緊系統可多容納1倍刀片，致使切削率大幅提高。用于型腔加工的刀具材料還可用硬質合金5020，配以PVD-TiAlN-TiN復合鍍層，這樣的刀具有很高的柔韌性和熱穩定性。為了更好地在加工過程中冷卻刀具，刀具內部設計有冷卻液通道，乳化液通過夾緊系統的夾緊螺釘直接送到切削刃，每個可轉為刀片都與冷卻通道相連，所以冷卻效果很好。
奧地利的硬質合金制造企業Ceratizit與世界領先的航空、航天企業共同開發了一種適合鈦合金切削特殊要求的Maximill 211-20銑刀 （見圖2）。經嚴酷條件下的切削試驗表明，該銑刀加工鈦的切削速度大約60m/min,同時壽命提高20%～100%，部分可達到200%。大而穩固的刀片在切深至19mm時還能穩定地銑削。可轉位刀片是專門為加工鈦、超級合金和耐熱鋼等難加工材料而設計的，刀片鍍以CTC5240超級鍍層，確保其抗高熱的能力，光滑的表面使切屑很容易滑落，并保護基體免受磨損和腐蝕。由于縮短了加工時間，提高了加工過程的可靠性，Maximill 211-20銑刀可節省加工成本，其突出的效率特性不僅使航空工業受益，在能源、渦輪機制造、油氣輸送和化學工業等部門在加工超級合金、鈦合金、耐熱鋼等難加工材料時，Maximill 211-20銑刀也能得到卓有成效的應用。
圖2 適合鈦加工的Maximill211-20銑刀
德國瓦爾特 （Walter）公司首次按PVD法在刀具材料上沉積氧化鋁硬鍍層，即所謂PVD-Tiger刀具（虎牌刀具），期間還產生了用于完全銑削和車削的可轉位刀片。這種刀片韌性極好，同時氧化鋁鍍層硬度高，耐熱性好且耐磨，特別適合加工鈦合金、銦康鎳基合金、鈷基合金等耐高溫的材料。瓦爾特的標牌為Ti40的VHM銑刀是加工鈦合金的基本刀具。一種新硬質合金基體，新的AlGrN鍍層和優化的微幾何結構，使銑刀的切削率可以接近極限值。德國瓦爾特公司的各種加工鈦合金的螺紋銑刀也是其中一部分。
Cemecon公司用俄羅斯科學家弗拉基米爾·庫茲涅佐夫 （Vladimir Kouznetsov）開發的HiPIMS技術進行鍍層的刀具，其鍍層質量大有改善。HiPIMS鍍層刀具在提高切削參數、加工鎳基合金和各種奧氏體不銹鋼等難切削材料時更經濟，刀具磨損小得多。HiPIMS鍍層法的機理是，使一種陰極真空噴鍍的中間電極材料 （施主材料）達到高度電離化，在兆瓦級高能量、大功率脈沖作用下飛向標靶，在靶前形成高密度載流子的等離子區。這個密度超過一般直流濺射的密度。與其他方法相比，濺射靶材料的高度電離作用改進了鍍層結構，并因此改善了鍍層特性。除了致密的鍍層結構外，鍍層與基體粘結的牢固度比迄今的PVD鍍層大1倍以上。刀刃鋒利，能進行斷續切削。在銑削鈦合金時，性能提高80%。而車削鎳鉻鐵 （Inconel）耐熱耐蝕合金時，性能甚至提高400%。
德國達姆斯答特 （Darmstadt）大學的PTW研究所的鈦加工研究小組圍繞提高鈦切削加工的生產率，對刀具和刀套進行優化，認為在銑削鈦結構件時，一般用直徑8～63mm之間的可轉位刀片銑刀 （WSP銑刀）和整體硬質合金銑刀 （VHM銑刀），粗加工切削速度大約50m/min，精加工時可達200m/min。他們還得到了兩個特殊的研究成果：其一是用CO2冷卻刀具效果很好，既不影響刀具壽命，又大幅提高了切削速度，還明顯改善了表面加工質量。其二是發現鈦合金和其他難加工材料的切削熱有新的利用潛力。通過被切削材料局部加熱，會使材料軟化，因而改變了材料特性，降低了材料強度。初步調查表明，這可以使切削參數提高3倍；同時，機床的驅動力與傳統的切削相比，降低約50%。可見，他們的研究對提高鈦加工的經濟性是很有意義的。
總之，鈦加工方面的刀具開發新成果還有很多，如，德國瓦爾特 （Walter）公司的各種加工鈦合金的螺紋銑刀就是其中一部分，這里不多列舉。現在，我國正在研制大飛機和ARJ21、新舟支線飛機等，其他工業部門應用高強度耐熱合金和碳纖維強化復合材料也日益增多，加工難題不可避免。上述一些信息僅供國內業者參考。
［1］RALF M.HAASSENGIER.Produktiv durchstarten.
［2］EBERHARD ABELE， ROLAND HOELSCHER，DENNIS KORFF ROBERT ROST. Titanzerspanung produktiver machen.
［3］RUDOLF STRICKER.Titan fraest Titan.
［4］INKA HARRAND.Anspruchsvolle Materialien leichter zerspanen.
［5］DIRK BIERMANN， MARKUS FELDHOFF. Bohrungen in CFK.
［6］Know-how fuer Titan
［7］BIRGIT HUMMLER-SCHAUFLER.Wergzeuge zum Abheben.
