伊斯卡航空航天鈦合金加工解決方案

■伊斯卡公司供稿

伊斯卡航空航天鈦合金加工解決方案

■伊斯卡公司供稿

1. 鈦合金零件大余量銑削

在許多航空航天應用中，鈦及鈦合金正在取代傳統的鋁合金。如今，航空航天業消耗的鈦材料約占全球生產總量的42%，最近幾年，預計對鈦材料的需求仍將繼續以兩位數的速度增長。新一代飛機需要充分利用鈦合金的性能，無論是商用機還是軍用機市場，都正在推動對鈦合金的需求。波音787、空客A380、F-22猛禽戰斗機和F-35聯合攻擊戰斗機等新機型都采用了大量鈦合金材料。

（1）鈦合金材料的優勢鈦合金具有高強度、高斷裂韌性以及良好的抗腐蝕性和可焊接性。隨著飛機機身越來越多地采用復合材料結構，鈦基材料用于機身的比例也將日益增大，因為鈦與復合材料的結合性能遠遠優于鋁合金。例如：與鋁合金相比，鈦合金可使機身結構的壽命提高60%。鈦合金極高的強度/密度比達20:1（即重量可減輕20%），為減輕大型構件的重量提供了解決方案。此外，鈦合金固有的高耐蝕性可以節省飛機日常運行和維護保養的成本。

傳統的鈦合金材料已經不能適應航空工業更高的發展要求，國內外不斷地研制出各種強度更高、各方面性能更優秀的鈦合金，比如TI5553、TC18和TC40等，這些鈦合金很好地促進了航空工業快速發展的需求。

（2）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的時間約為加工鋼件的4倍。隨著各種難加工鈦合金材料在航空工業中的普遍使用，按照現有加工水平，零件的加工制造周期進一步延長，完全不能滿足現在航空工業的新機型推出日新月異的要求。為了滿足航空制造業對鈦合金加工日益增長的需求，制造商需要增加生產能力，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，直到約80%的材料被去除而獲得最終的工件外形。

2. 起落架加工實例

以典型的鈦合金零件某飛機起落架為例（見圖1）來說明加工刀具的改進對加工效率的提高和降低加工成本的有效性。起落架零件材料為某新型鈦合金，加工難度非常大，傳統刀具加工一件零件大概需要1個月左右，而且由于零件難加工，導致刀具磨損非常快，刀具一個切削刃僅能加工不到1h左右，導致加工此類零件的刀具消耗非常大，刀具成本居高不下。在這種狀況下，急于尋求一種既能大幅度提高加工效率又能降低加工成本或者不提高加工成本的刀具。

圖1　起落架銑削加工

針對加工的現實需求，伊斯卡提出了大進給銑刀解決方案。FTP銑刀是伊斯卡公司在HTP插齒刀基礎上開發出來的一種新型刀具，可同時滿足插銑和大進給銑削兩種銑削方式的要求，而且切削輕快。針對航空難加工材料零件的加工，伊斯卡開發了ER槽形及更適合加工鈦合金等難加工材料的IC830硬質合金涂層牌號。采用直徑63mm的FTP大進給銑刀，共6個有效齒，每個刀片4個切削刃。刀具可以實現平面銑和坡走銑，具有在銑削余量不大于1.8mm的情況下實現快速走刀，最大每齒走刀可達到1.5～2mm左右。采用的刀具型號：刀體為FTP D063-6-27-R-LN10；刀片為FTP LNHT 1006 ER IC830，刀具如圖2所示。

圖2　FTP銑刀示意圖

（1）FTP銑刀具有以下特點：

一是定位方式更加可靠由于刀片正反面均帶切削刃，刀片進行了加厚處理，定位面被分成了幾個小平面，位于刀片側面并與前刀面形成燕尾槽結構，使得刀片裝入刀體時更加地牢固，增加了刀具剛性，可以承受更大的切削力，實現更大的進給，同時減小切削振動對刀具壽命的影響。

二是刀片經濟性更好相比于傳統的帶2個切削刃的APKT刀片，FTP銑刀片每刀片帶4個大進給切削刃更經濟；刀片及切削刃槽形的特殊設計，大幅提高了刀片定位強度及刀片自身強度；切削過程更平穩，切削力更小，刀具在實際切削過程中產生的切削熱更少，大幅提高了刀具切削刃的正常使用壽命，每切削刃的使用壽命可提高3倍左右，從而有效降低了刀具的成本。

新型難加工鈦合金加工對比如附表所示。

新型難加工鈦合金加工對比表

三是通過使用此刀具，零件加工效率比最初提高了4倍多，而且切削過程平穩，刀具使用成本大幅度降低。

3. 航空發動機盤軸類零件解決方案

在航空發動機的制造中，盤環件及軸類零件均是關鍵件或重要件。此類旋轉零件，在發動機正常運行時處于相對惡劣的運轉環境，對保障發動機正常運轉甚至飛機正常飛行起到了至關重要的作用。因此，必須保障此類零件具有高的可靠性，高的安全性，同時還要盡量減輕零件的

重量。基于以上需求，首先從選材上就要求盤軸類零件具有耐高溫，耐腐蝕，比重輕等特點，目前主要采用各類高溫合金及鈦合金。加工難點在于，一方面被加工材料的機械加工難度非常大；另一方面，此類零件具有型面復雜、薄壁、易變形等典型特點。

針對航空類難加工復雜盤軸類零件的加工，伊斯卡公司大量標準的ISO車刀及各類切槽刀基本可以滿足各種類型的零件加工。伊斯卡公司提供全套加工解決方案，包括采用標準刀具及各種針對性非常強的非標刀具，以滿足各種特殊需求。

下面是伊斯卡公司做的一個航空發動機盤類零件的加工方案，如圖3所示。

針對航空類復雜且難加工的盤軸類零件，伊斯卡公可以根據用戶零件及特殊要求，在大量的標準刀具基礎上開發出滿足用戶特定要求的方案。同時，在做方案過程中，會不斷地將伊斯卡的新產品引進到整體方案中，例如針對高壓冷卻刀具、難加工材料加工最新研制出的硬質合金涂層刀具等，以滿足用戶對產品質量的更高要求，不斷地為用戶降低加工成本，提高加工效率。

圖3　盤類零件實例

收稿日期：（20150725）