鈦合金加工機床

張 曙 張炳生 譚為民

1 鈦合金及其在工業中的應用

鈦具有強度高、重量輕和優異的耐腐蝕性，解決了很多的工程難題。鈦比鋼的強度高30%以上，但重量輕近40%。鈦比鋁重一倍，但強度高 60%。鈦合金是以鈦為基體加入鋁、錳、鐵、鉬和其他金屬的合金，以增加鈦的強度和耐高溫性能，分為α-鈦合金、β-鈦合金、α β-鈦合金和較新的鈦鋁合金，其中αβ-鈦合金（Ti6Al4V）應用最為廣泛。鈦合金的高耐蝕性也是一種寶貴的特點，當暴露于大氣中時，鈦能形成抗拒許多腐蝕性物料的氧化膜。

鈦合金憑借其優越的屬性，特別是強度重量比很高，在新興的航空航天工業中獲得越來越廣泛的應用。例如，機身的結構部件、起落架、液壓系統、航空發動機零部件等。近年來在新型飛機上，鈦合金材料所占的比例已經由5%提高到14%以上。火箭、導彈和飛船的鈦合金零部件所占比例更高。

隨著鈦合金的成本降低，使其工業應用逐漸擴展到造船工業，例如潛艇，船舶螺旋槳、索具和其他需要高耐腐蝕性的零部件。此外，由于鈦與人體組織的親和性，正在越來越多地用于醫學工程，成為人體植入物和骨骼修復的主要材料。

在汽車工業，近年來開始使用鈦合金制造發動機氣門、連桿、車輪輪轂螺釘、排氣系統和懸掛彈簧。鈦合金組件可在增加發動機功率和扭矩的同時提高燃油經濟性，并解決噪聲和振動的問題。鈦合金零部件降低材料重量約 50%，并大幅度提高其使用壽命。鈦懸掛彈簧不僅能明顯降低重量，而且允許增加有效載荷和更大的乘用空間。

雖然鈦合金一直是被認為昂貴的材料，但隨著生產技術的進展及工業市場的消費量增加，將使其成本大幅降低，應用前景極其廣闊。

2 鈦合金加工的特點

按照傳統的觀點，鈦合金被視為難加工材料，加工費時，成本高昂，令人望而生畏。但是，隨著鈦合金應用的日漸普及，人們對鈦合金加工機理的認識逐步深入，針對鈦合金加工的新刀具和新機床的出現，以及加工經驗的積累，現在已經具備了堅實的知識基礎和裝備條件。可以認為，鈦合金的加工已經不比加工高合金不銹鋼難。

過去，為什么我們認為鈦合金是一種難加工材料？因為對其加工機理和現象缺乏深刻的認識。

鈦合金加工時的切削力只是略大于同等硬度的鋼，但是加工鈦合金的物理現象比加工鋼要復雜得多，從而使鈦合金加工面臨巨大的困難。

大多數的鈦合金的熱導率很低，只有鋼的1/7，鋁的1/16。因此，在切削鈦合金過程中產生的熱量不會迅速傳遞給工件或被切屑帶走，而集聚在切削區域，所產生的溫度可高達1 000°C以上，使刀具的刃口迅速磨損、崩裂和生成切屑瘤，快速出現磨損的刀刃繼續使用又使切削區域產生更多的熱量，進一步縮短刀具的壽命。

切削過程中產生的高溫同時破壞了鈦合金零件的表面結構的完整性，導致零件幾何精度下降和出現嚴重降低其疲勞強度的加工硬化現象。

鈦合金的彈性對零件性能來說可能是有益的。但是在切削過程中，工件的彈性變形是產生振動的重要原因。切削壓力使“彈性”的工件離開刀具和反彈，從而使刀具與工件之間摩擦現象大于切削作用。摩擦過程也會產生熱，加重了鈦合金導熱性不良問題。

加工薄壁或環形等易變形零件時，這個問題就更加嚴重，將鈦合金薄壁零件加工到預期的尺寸精度不是一件容易的事。 因為隨著工件材料被刀具推開時，薄壁的局部變形已經超出彈性范圍而產生塑性變形，切削點的材料強度和硬度明顯增加。此時，按照原先確定的切削速度加工就變得過高，進一步導致刀具急劇磨損。

熱是鈦合金難加工的“罪魁禍首”，容易產生顫振是鈦合金加工效率低下的根源！筆者曾對鈦合金加工的工藝和刀具撰文，本文不再贅述，現主要從機床設計的角度來闡述如何解決這些難題。

3 鈦合金加工機床

世界各國著名的機床制造商，都推出不同型號的鈦合金加工機床，如日本的牧野（Makino）、意大利的Tarkus、韓國的斗山（Dooshan）、美國的MAG公司等。盡管各自采取的措施不盡相同，但其共同特點是針對加工鈦合金零件時切削力較大以及銑削過程的不連續性，聚焦于提高機床的剛性和阻尼，將銑削加工的穩定區W葉瓣曲線上移，以增加加工過程的穩定區，從而提高金屬切除率，如圖1所示。

從圖中可見，剛度低和阻尼小的機床切削穩定區有限。操作者往往為了保證生產效率，只能降低背吃刀量（吃刀深度）和提高主軸轉速，結果導致刀具壽命大幅度降低。剛度高和阻尼大的機床能夠提供更大范圍的切削穩定區。

日本牧野公司為了適應鈦合金飛機零件加工市場的需求，在美國設立了鈦合金加工研發中心（www.TiMachining.com），開發了T系列5軸臥式加工中心，其核心技術稱為ADVANTiGE，意即“鈦加工的優勢”，可使鈦合金的加工效率提高4倍，刀具壽命增加4倍。ADVANTiGE由以下4個部分組成：

（1）高剛度、高動態響應的機床結構；

（2）阻尼大的結合面和主動減振系統；

（3）大功率和高扭矩的主軸；

（4）高壓大流量冷卻系統。

上述4種技術的集成，克服了傳統鈦合金加工時金屬切除率低、刀具壽命短、容易出現顫振的問題。

3.1 機床的剛度和阻尼

T系列臥式加工中心有兩種型號：T4和T2。T4型臥式加工中心的X、Y和Z軸行程為4 200 mm、2 000 mm和1 000 mm，最大工件重量為5 000 kg，適用于加工飛機的鈦合金大型結構件。T2型臥式加工中心的X軸行程比T4 減小50%，除具有托板交換系統外，其他基本保持不變，其外觀和基本規格如圖2所示。

高剛度是T系列機床設計遵循的第一原則，T系列臥式加工中心采用大質量的床身，1.7 m寬的立柱。310 mm寬、60 mm厚的矩形導軌系統和大直徑的滾珠絲杠，從而保證機床具有很高的剛度和較大的阻尼，導軌結構特點如圖3所示。

3.2 主動減振（阻尼）系統

ADVANTiGE 主動減振（阻尼）系統借助低頻振動傳感器對摩擦力進行實時調整，保持5個運動軸的導軌系統載荷（切削力＋工件重量）恒定，從而提高了機床的阻尼性能，避免了機床結構顫振和刀具損壞，從而獲得更高的金屬切除率和減少刀具磨損。

傳統的導軌系統當載荷增加時，摩擦力不僅隨之增大，且由于銑削切削力的變化造成摩擦力的急劇波動，極易導致機床結構發生顫振。借助主動減振（阻尼）系統可以保持摩擦力基本不變，其工作原理如圖4所示。

從圖中可見，壓縮空氣通過伺服閥進入導軌系統的氣腔內，形成氣墊，使工作臺處于半浮起的狀態，由于氣壓是可控的，恰好抵消載荷的增加或變化，使導軌系統的摩擦力保持恒定。接通或斷開主動減振（阻尼）系統對導軌系統摩擦力的影響如圖5所示。

3.3 大功率、大扭矩的智能電主軸

T系列機床采用的HSK A125電主軸是牧野公司到目前為止最強大的電主軸，緊湊的結構設計結合最新的大扭矩異步電動機和雙變頻傳動技術保證了鈦合金加工所需的大功率、高轉矩特性。電主軸的外觀和技術性能如圖6所示。

HSK A125主軸的連續運轉的功率高達100 kW，最大輸出轉矩1 000 N·m，最高轉速4 000 r/min。前后軸承皆采用大直徑的角接觸球軸承，可承受高達20 kN的徑向切削力和11 kN的軸向切削力。

該主軸采用自適應控制技術，借助位移傳感器測量由過大切削力、慣性力和熱變形所造成的主軸軸向位移變形。此變形信息實時反饋到數控系統Professional 5，自動調整切削參數以適應當前的加工條件，從而保護了主軸和刀具；實現了機床主軸能夠自主檢測、思考、決策和反應以及優化切削狀態的終極目標。

A125電主軸安裝在擺叉式銑頭中央，擺叉式銑頭的A軸旋轉范圍為±110°，C軸可360°連續旋轉，其結構和工作原理如圖7所示。

從圖中可見，主軸的A軸的回轉由2臺伺服電動機同步驅動，分別通過左右兩側的無間隙斜齒輪帶動主軸殼體耳軸轉動，以滿足大進給力的需要。

3.4 凸輪驅動的回轉工作臺

T2加工中心可配置回轉工作臺。為了保證回轉精度，提供較大的進給力，采用了凸輪驅動滾柱輪的無間隙傳動機構，如圖8所示。

從圖中可見，伺服電動機連接弧面的凸輪桿，通過其螺旋槽與滾柱輪上的滾柱嚙合，驅動工作臺的滾柱輪旋轉。滾柱內有滾針軸承，使其外圈可繞內圓柱自轉，因此整個傳動副是在滾動摩擦狀態下工作，承載能力大，傳動效率高。控制滾柱的外圓尺寸和凸輪桿與滾柱輪的中心距，即可對傳動副施加一定的預緊力，實現零背隙傳動，保證了機床5軸加工時的精度。

3.5 加工空間的溫度控制

解決鈦合金加工發熱難題措施之一是對整個加工區域進行溫度控制。T系列機床是封閉的，分隔成加工空間和機床結構區。機床溫度控制器（空調）將冷空氣分別輸送到這兩個區域。一方面使加工空間的溫度盡量保持恒定，另一方面利用機床立柱前后溫差的熱管效應，使立柱內部的冷卻液不斷循環，使熱場均勻化，減小熱變形，其原理如圖9所示。

3.6 高壓大流量的冷卻系統

盡可能保持工件處于常溫狀態和盡快將高溫切屑移除是鈦合金加工的關鍵。T系列機床在冷卻液提供方面采用高壓大流量冷卻系統向切削區域直接提供大量的高壓冷卻液，使切屑盡快地從多刃刀具的有限空間排出。壓力和流量可以借助數控系統的M指令調節。冷卻液的供給有3種方式：主軸上部花灑、主軸前端四周噴嘴和通過主軸內孔。三管齊下以提高其冷卻效果，如圖10所示。

通過主軸內孔供給的冷卻液壓力達7 MPa，流量達200 L/min，以便直接將冷卻液噴射到切削刀刃上。

4 結語與展望

新材料的出現必將推動制造技術的變革，加工不同材料的機床應該具有各自的特點，才能不斷提高生產效率，對鈦合金等難加工材料更是如此。

低頻動態剛度高的機床結構以及采用自適應技術的機床不斷出現，使加工鈦合金的“振動”難題也將迎刃而解。

新的鈦合金不斷出現。例如，ATI公司的425合金是α β-鈦合金，其板材厚度可精確控制，表面粗糙度值很小。這些性能優勢提供飛機設計師減重節能的新機會，但是加工難度加大，又給機床設計師提出新的挑戰。

新的刀具材料和刀具結構不斷出現，正在克服鈦合金加工過程中的“熱”難點，加工鈦合金的難度明顯減少。

新的加工工藝。鈦合金的加工工藝不只局限于切削加工，壓力加工、焊接、鑄造以及特種加工方法正在獲得越來越廣泛的應用。