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(duì)鈦材料的需求將繼續(xù)以兩位數(shù)的速度增長(zhǎng)。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(chǎng),都正在推動(dòng)對(duì)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(shì)
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(duì)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(gè)鈦合金工件需要花費(fèi)的時(shí)間約為加工鋼件的4倍。
為了滿足航空制造業(yè)對(duì)鈦合金加工日益增長(zhǎng)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(chǎng)的快速增長(zhǎng),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(dòng)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(jiǎn)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(zhǎng)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(hào)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(jiǎn)稱Ti-5-5-5-3)是一種頗具市場(chǎng)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(jí)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(shí)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(zhǎng)生產(chǎn)周期的相應(yīng)的加工工藝。
加工鈦合金時(shí),材料硬度是一個(gè)關(guān)鍵因素。如果硬度值太低(<38HRC,鈦合金會(huì)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(huì)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于高效、安全的加工至關(guān)重要?!半y加工”是一個(gè)相對(duì)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(jí)鈦合金工件時(shí),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(gè)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(shí)會(huì)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(duì)于鈦合金而言,在因過熱而產(chǎn)生積屑瘤之前,對(duì)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(zhǎng)”,與之相比,加工普通鋼材時(shí)接合弧長(zhǎng)為50%~100%。減少接觸弧長(zhǎng)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(zhǎng)度,從而減少局部高溫,延長(zhǎng)切削刃壽命,同時(shí)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(shí),采用外周磨削刀片對(duì)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(jí)角(以獲得較大的正倒棱)對(duì)于增強(qiáng)刀片抗壓性和延長(zhǎng)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(shí),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(duì)刀具材料的應(yīng)力和壓力,使刀具獲得更長(zhǎng)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(shí)對(duì)整個(gè)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(huì)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(shí),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(duì)于深凹腔或深孔加工尤其重要。
加工深凹腔時(shí),采用帶模塊式切削頭的高密度硬質(zhì)合金加長(zhǎng)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(shí),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(zhǎng)刀具壽命。
用銑刀進(jìn)行螺旋插補(bǔ)銑孔可減少刀庫(kù)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(zhǎng),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(duì)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(gè)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(shì)。
ATI Stellram公司是Allegheny Technologies旗下ATI Metalworking Products公司的一個(gè)業(yè)務(wù)部門,它負(fù)責(zé)對(duì)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(duì)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(duì)工件材料和切削刀具兩方面的共同需求。
對(duì)材料固有結(jié)構(gòu)的全面認(rèn)識(shí)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(shì),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(hào),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(hào)(X400、X500和X700),每一種刀片都是針對(duì)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(shí)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(gè)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(hào):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(gè)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(hào):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(gè)刀片可轉(zhuǎn)位4次)