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专题专访
Special Topice Interview
钛合金加工机床
Machine tools for titanium machining
张曙张炳生谭为民
ZHANG Shu ZHANG Binsheng TAN Weiming
张曙同济大学教授、博士生导师,
上海市科技功臣、全国优秀科技工作
者、中国机械工程学会荣誉理事。
1钛合金及其在工业中的应用
荷和更大的乘用空间。
钛具有强度高、重量轻和优异的耐腐蚀性,解决
虽然钛合金一直是被认为昂贵的材料,但随着生
了很多的工程难题。钛比钢的强度高30%以上,但重量产技术的进展及工业市场的消费量増加,将使其成本
轻近40%。钛比铝重一倍,但强度高60%。钛合金是以大幅降低,应用前景极其广阔。
钛为基体加入铝、锰、铁、钼和其他金属的合金,以2钛合金加工的特点
增加钛的强度和耐高温性能,分为a-钛合金、B-钛
按照传统的观点,钛合金被视为难加工材料,加
合金、B-钛合金和较新的钛铝合金,其中aB-钛合工费时,成本高昂,令人望而生畏。但是,随着钛合
金(Ti6A14V)应用最为广泛。钛合金的高耐蚀性也是金应用的日渐普及,人们对铁合金加工机理的认识逐
一种宝贵的特点,当暴露于大气中时,钛能形成抗拒步深入,针对钛合金加工的新刀具和新机床的出现,
许多腐蚀性物料的氧化膜。
以及加工经验的积累,现在已经具备了坚实的知识基
钛合金凭借其优越的属性,特别是强度重量比
产品创新与设计专
础和装备条件。可以认为,铁合金的加工已经不比加
很高,在新兴的航空航天工业中获得越来越广泛的应工高合金不锈钢难。
用。例如,机身的结构部件、起落架、液压系统、航
过去,为什么我们认为钛合金是一种难加工材
空发动机零部件等。近年来在新型飞机上,钛合金材料?因为对其加工机理和现象缺乏深刻的认识。
料所占的比例已经由5%提高到14%以上。火箭、导弹和
钛合金加工时的切削力只是略大于同等硬度的
飞船的钛合金零部件所占比例更高。
钢,但是加工钛合金的物理现象比加工钢要复杂得
随着钛合金的成本降低,使其工业应用逐渐扩展多,从而使钛合金加工面临巨大的困难。
到造船工业,例如潜艇,船舶螺旋桨、索具和其他需
大多数的钛合金的热导率很低,只有钢的1/7,
要高耐腐蚀性的零部件。此外,由于钛与人体组织的铝的1/16。因此,在切削钛合金过程中产生的热量不
亲和性,正在越来越多地用于医学工程,成为人体植会迅速传递给工件或被切屑带走,而集聚在切削区
入物和骨骼修复的主要材料。
域,所产生的温度可高达1000°C以上,使刀具的刃
在汽车工业,近年来开始使用钛合金制造发动机口迅速磨损、崩裂和生成切屑瘤,快速出现磨损的刀
气门、连杆、车轮轮毂螺钉、排气系统和悬挂弹簧。刃继续使用又使切削区域产生更多的热量,进一步缩
钛合金组件可在增加发动机功率和扭矩的同时提高燃短刀具的寿命。
油经济性,并解决噪声和振动的问题。钛合金零部件
切削过程中产生的高温同时破坏了钛合金零件的
降低材料重量约50%,并大幅度提高其使用寿命。钛表面结构的完整性,导致零件几何精度下降和出现严
悬挂弹簧不仅能明显降低重量,而且允许增加有效载重降低其疲劳强度的加工硬化现象。
2012年第10期
钛合金的弹性对零件性能来说可能是有益的。但 Timachining.con),开发了T系列5轴卧式加工中心,
是在切削过程中,工件的弹性变形是产生振动的重要其核心技术称为 ADVANTIGE,意即“钛加工的优势”
原因。切削压力使“弹性”的工件离开刀具和反弹,可使钛合金的加工效率提高4倍,刀具寿命增加4倍。
从而使刀具与工件之间摩擦现象大于切削作用。摩擦 ADVANTIGEE由以下4个部分组成
过程也会产生热,加重了钛合金导热性不良问题。
(1)高刚度、高动态响应的机床结构;
加工薄壁或环形等易变形零件时,这个问题就更
(2)阻尼大的结合面和主动减振系统;
加严重,将钛合金薄壁零件加工到预期的尺寸精度不
(3)大功率和高扭矩的主轴;
是一件容易的事。因为随着工件材料被刀具推开时,
(4)高压大流量冷却系统。
薄壁的局部变形已经超出弹性范围而产生塑性变形,
上述4种技术的集成,克服了传统钛合金加工时
切削点的材料强度和硬度明显增加。此时,按照原先金属切除率低、刀具寿命短、容易出现颤振的问题。
确定的切削速度加工就变得过高,进一步导致刀具急3.1机床的刚度和阻尼
剧磨损
T系列卧式加工中心有两种型号:T4和T2。T4型
热是钛合金难加⊥的“罪魁祸首”?容易产生顕卧式加工中心的X、Y和Z轴行程为4200m、2000m
振是钛合金加工效率低下的根源!笔者曾对钛合金加和100cm,最大工件重量为500kg,适用于加工飞
工的工艺和刀具撰文,本文不再赘述,现主要从机床机的钛合金大型结构件。T2型卧式加工中心的轴行程
设计的角度来阐述如何解决这些难题。
比T4减小50%,除具有托板交换系统外,其他基本保
3钛合金加工机床
持不变,其外观和基本规格如图2所示。
世界各国著名的机床制造商,都推出不同型号的
机床产品创
钛合金加工机床,如日本的牧野( Makino)、意大利
X轴行程:2000mm
Y轴行程:2000mm
的 Tarkus、韩国的斗山
)、美国的MAG公
轴行程:1800
ni
A轴偏转:±110
等。尽管各自采取的措施不尽相同,但其共同特点是
B轴连续或分度
C轴可选
针对加工钛合金零件时切削力较大以及铣削过程的不
连续性,聚焦于提高机床的刚性和阻尼,将铣削加工
的稳定区W叶瓣曲线上移,以增加加工过程的稳定区,
新与设计专题
从而提高金属切除率,如图1所示。
阻尼大的机床1,在阻尼较大时
提高机床阻尼的措胞
的最大背吃刀量
阻尼小的机味2
采用高阻尼系数的
树斯混凝上床身
图2 Makino T2五轴加工中心
振区
自适应的导轨夹紧
自适应的阻尼系统
高刚度是T系列机床设计遵循的第一原则,T系列
十四
和最系统
①
卧式加工中心采用大质量的床身,1.7m宽的立柱。
加工表面切叛
310mm宽、60mm厚的矩形导轨系统和大直径的滚珠丝
在阻尼较小时
区域①采用机床1加
的最大背吃刀最定区「王是稳定的,前采用稳定
杠,从而保证机床具有很高的刚度和较大的阻尼,导
机味2是不稳定的
轨结构特点如图3所示。
主轴转速Ar/min)不稳定
图1提高机床刚度和阻尼以扩大加工稳定区
导轨厚度60mm
Makino 12的味身:导轨宽度310mm
从图中可见,刚度低和阻尼小的机床切削稳定区
60 mm
有限。操作者往往为了保证生产效率,只能降低背吃
刀量(吃刀深度)和提高主轴转速,结果导致刀具寿
命大幅度降低。刚度高和阻尼大的机床能够提供更大
(310mm
310mm
范围的切削稳定区。
日本牧野公司为了适应钛合金飞机零件加工市
王作台底部
场的需求,在美国设立了钛合金加工研发中心