鈦和鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、比重輕和耐熱性好等優(yōu)良的綜合性能而廣泛應(yīng)用于航空和航天、醫(yī)療、化學(xué)以及石油等工業(yè)中。其中，特別是航空工業(yè)以70%的消費(fèi)量而成為諸如結(jié)構(gòu)件、起落架零件和渦輪結(jié)構(gòu)件等鈦產(chǎn)品的最大市場(chǎng)。盡管鈦材料的成本較高，然而鈦的使用還是在持續(xù)地增加。
鈦合金良好的物理和機(jī)械性能（見下表），對(duì)于飛機(jī)構(gòu)件具有十分重要的意義：較高的比強(qiáng)度，具有類似于鋼的強(qiáng)度，卻只有鋼一半的重量；較低的熱導(dǎo)率，這使構(gòu)件在特別低的溫度下，不會(huì)變脆，而在較高溫度下又不會(huì)產(chǎn)生明顯的膨脹；較高的高溫強(qiáng)度，耐高溫可達(dá)550℃，而不致發(fā)生材料性能變化；較好的耐腐蝕性能，因此，鈦合金可用于制造與碳纖維材料構(gòu)件相連接的連接件，以替代易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的鋁與碳纖維材料的連接；以及較低的彈性模量，使構(gòu)件具有抗塑性變形的能力等等。
三種材料的物理和機(jī)械性能比較
在飛機(jī)工業(yè)中，對(duì)于鈦合金的結(jié)構(gòu)件，其材料切除量要達(dá)到90%。而像波音B-787這樣的大型飛機(jī)則是從超過90噸鈦合金加工成總重量約為11噸的眾多不同構(gòu)件。但是，為了盡可能降低加工成本，值得去追求較高的材料切除率。然而在最近十年里鈦材料切除率只是增加了一倍，而鋁的材料切除率卻增加了5倍。目前，鋁的材料切除率已達(dá)到10L/min或更高些，而對(duì)于鈦的切削剛剛達(dá)到0.5L/min。
鑒于近幾年來，特別是在飛機(jī)制造業(yè)中，鈦合金零部件以及鈦合金/碳纖維連接構(gòu)件份額不斷的增加，提高切削加工鈦合金材料的生產(chǎn)效率愈來愈具有重要的意義。
鈦合金是很難切削的材料
然而，鈦合金材料的這些優(yōu)點(diǎn)卻成為其在切削加工時(shí)的難點(diǎn)。鈦合金材料之所以難以切削，一個(gè)主要原因之一是它很差的熱導(dǎo)率和較高的比熱容。這阻礙了通過切屑和工件把切削熱從切削區(qū)傳送出去。而大部分的熱（約75%）傳給了切削刀刃。很高的溫度促使在刀刃表面上發(fā)生擴(kuò)散和粘結(jié)，形成積屑瘤，并同時(shí)由于鈦合金材料的高強(qiáng)度，在切削時(shí)產(chǎn)生較大的切削力。因此，在加工過程中使刀具承受著很高的熱負(fù)載和機(jī)械負(fù)載。其次，鈦合金的彈性模量低，在切削力作用下構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生變形，后又發(fā)生回彈，從而影響到構(gòu)件的加工精度。
從這里可以看出，切削鈦合金所存在的主要問題是由于刀具吸收的切削熱太多，以至加快了刀具的磨損，迫使采用較低的切削速度，這顯然會(huì)降低加工效率和增加單件成本。例如，一個(gè)Ti6Al4V材質(zhì)的渦輪增壓壓縮機(jī)葉輪，其制造費(fèi)用的50%是用于切削加工的費(fèi)用。
不難看出，解決鈦合金材料的切削問題在于采用耐高溫的硬質(zhì)合金刀具和對(duì)切削過程中的刀具進(jìn)行有效冷卻。為提高鈦合金材料的切削效率和加工可靠性，有不少刀具生產(chǎn)廠家和高等院校開展了卓有成效的研究試驗(yàn)工作。在德國(guó)，特別是諸如Darmstadt工業(yè)大學(xué)、亞琛工業(yè)大學(xué)、Braunschweig工業(yè)大學(xué)、萊布尼茨漢諾威大學(xué)以及Dortmund工業(yè)大學(xué)等院校在鈦合金切削機(jī)理、有限元模型分析、仿真、刀具幾何角度、切削試驗(yàn)和采用不同冷卻方式等方面開展了一系列研究，其中亞琛工業(yè)大學(xué)的機(jī)床實(shí)驗(yàn)室（WZL）還與伊斯卡（Iscar），肯納金屬（Kennmetal），山高刀具（Seco Tools）和山特維克（Sandvik）等刀具廠密切合作開展了包括高壓冷卻等技術(shù)的研究，而萊布尼茨漢諾威大學(xué)的生產(chǎn)技術(shù)和機(jī)床研究所（IFW）由空中客車德國(guó)公司、肯納金屬、Paul Horn和Lehmann精密刀具等公司進(jìn)行資助，開展了“通過刀具開發(fā)，提高鈦材料銑削加工的材料切除率”項(xiàng)目的研究工作。
高壓冷卻是一種有效解決辦法
研究表明，對(duì)刀具進(jìn)行冷卻是解決鈦合金切削難題的一種有效辦法。目前，高效冷卻刀具的技術(shù)開發(fā)，主要有二種發(fā)展途徑。一種是采用高壓冷卻潤(rùn)滑，另一種是采用冷氣進(jìn)行冷卻，即采用液態(tài)氮（-196℃）或液態(tài)二氧化碳（CO2）（-65℃）進(jìn)行冷卻，尤其是液氮，這對(duì)于冷卻銑刀是一種很有應(yīng)用前景的冷卻方式（圖1）。應(yīng)指出，采用氮冷卻或二氧化碳冷卻進(jìn)行輔助的切削是一種干式加工，這種干式冷卻不僅能冷卻刀具、有助快速斷屑和延長(zhǎng)刀具壽命外，仍具有干切削加工所具有的眾多經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和生態(tài)效益。如圖2。
圖1 在加工鈦合金時(shí)，采用液氮進(jìn)行冷卻可明顯減少刀具的磨損（資料來源：WZL）
圖2 采用CO2冷卻的車削加工（資料來源：Dortmund工業(yè)大學(xué)切削加工研究所ISF）
在目前，考慮到高壓冷卻的良好冷卻效果，以及現(xiàn)有加工中心和車削中心又都配有冷卻潤(rùn)滑設(shè)備，還有許多刀具廠家又都能提供用于這種高壓冷卻的刀具，并積累了許多實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)（無論是車削還是銑削），因此，采用通過主軸的高壓冷卻潤(rùn)滑液無疑是成為一種首選。
采用常規(guī)的大流量冷卻，冷卻潤(rùn)滑液到達(dá)不了切削刀刃和切屑之間的切削區(qū)（圖3），不能有效地冷卻切削刀刃。 為實(shí)現(xiàn)有效冷卻刀具，冷卻潤(rùn)滑液的供給應(yīng)以較高的壓力和足夠的流量，精確地對(duì)準(zhǔn)切削刀刃和切屑之間的接觸區(qū)（圖4）。在這個(gè)接觸區(qū)形成一個(gè)高能量沖擊楔，由此縮短切屑和刀刃之間的接觸時(shí)間，降低切削區(qū)溫度，同時(shí)使切屑變脆，通過冷卻和機(jī)械沖擊力這兩個(gè)效應(yīng)的疊加，很快使切屑折斷并可靠排出，從而大大提高了加工的可靠性，由此也有利于實(shí)現(xiàn)切削過程的自動(dòng)化。
圖3?外冷卻 圖4?高壓內(nèi)冷卻
（資料來源：Iscar）
高壓冷卻有助于提高生產(chǎn)效率
實(shí)踐表明，通過高壓冷卻可提高50%的刀具耐用度。通過調(diào)節(jié)冷卻潤(rùn)滑液的壓力大小可以影響切屑的形狀，從而改善斷屑。根據(jù)Iscar公司的資料，可以了解到在不同冷卻潤(rùn)滑液的壓力下切屑成形的情況。在采用2MPa的壓力進(jìn)行大流量外冷卻時(shí)，切屑成長(zhǎng)條纏繞形的切屑（圖5）；當(dāng)采用8MPa壓力的內(nèi)冷卻時(shí)，切屑在高壓沖擊下被折斷成小的弧形切屑（圖6）。如果采用30MPa超高壓進(jìn)行內(nèi)冷卻，這時(shí)切屑變成了針狀形切屑（圖7）。從這三個(gè)實(shí)例中不難看出，通過高壓冷卻可以控制切屑的成形，由此提高切削過程的可靠性，并可提高鈦合金加工的切削用量。
圖5 采用2MPa壓力的冷卻潤(rùn)滑液進(jìn)行外部冷卻（資料來源：Iscar）
圖 6 采用8MPa高壓冷卻潤(rùn)滑液進(jìn)行內(nèi)部冷卻（資料來源：Iscar）
圖7 采用30MPa高壓冷卻潤(rùn)滑液進(jìn)行內(nèi)部冷卻。（資料來源：Iscar）
在這里應(yīng)該指出，在冷卻潤(rùn)滑液的壓力低于7MPa時(shí)，由于冷卻液在切削刀刃的前面產(chǎn)生汽化而形成汽泡，從而阻礙了熱的傳導(dǎo)。當(dāng)采用大于7MPa的冷卻液壓力時(shí)，可以消除這種汽泡，使冷卻液直接噴到切削部位。另外應(yīng)指出，采用傳統(tǒng)的礦物油潤(rùn)滑液，在高壓冷卻切削時(shí)，油中易吸入大量空氣，致使散熱效率變差。為此，德國(guó)Fuchs Europe潤(rùn)滑材料公司開發(fā)了一種基于合成脂的具有排氣性能的冷卻潤(rùn)滑液（Ecocool TN2525 HP）可提高冷卻潤(rùn)滑液的散熱冷卻效果。
在鈦合金加工時(shí)，主要采用機(jī)械夾固可轉(zhuǎn)位片的刀具和整體硬質(zhì)合金刀具。按常規(guī)，粗加工時(shí)的切削速度一般為50m/min左右，精加工的切削速度為（200-300）m/min，在采用高壓冷卻后，切削速度可提高20%，此時(shí)不會(huì)因提高了切削速度而隨之使溫度提高。如果采用超高壓冷卻，同時(shí)又采用CBN刀具時(shí)，切削速度還可以進(jìn)一步提高。但是，所用的超高壓冷卻潤(rùn)滑裝置需要進(jìn)行專門的配備。因?yàn)榧庸ぶ行模囅髦行暮投喙δ軓?fù)合機(jī)床所配備的冷卻潤(rùn)滑裝置的壓力一般只有（7-10）MPa。
采用常規(guī)冷卻和高壓冷卻加工效果比較（取自Sandvik公司的資料）
從這個(gè)不同冷卻方式的加工效果比較中可以看出，高壓冷卻為提高切削參數(shù)提供了條件。采用高的切削參數(shù)可以顯著提高生產(chǎn)效率，大幅度降低單件費(fèi)用。雖然通過高壓冷卻刀具耐用度可提高50%，但是，由于刀具費(fèi)用一般只占制造費(fèi)用的3%，因此這只能使單件費(fèi)用減少1.5%。
采用高壓冷卻，要注意準(zhǔn)確的協(xié)調(diào)壓力、流量和噴嘴孔徑之間的關(guān)系。根據(jù)Sandvik公司的資料，例如，在刀具上使用1mm孔徑的噴嘴，為保持壓力，需要有5l/min的冷卻潤(rùn)滑液流量。因此，噴嘴孔徑大小應(yīng)選擇使其產(chǎn)生最高的壓力和可以最佳地利用冷卻潤(rùn)滑液的流量。
對(duì)于銑削加工，在采用多個(gè)刀片的情況，相應(yīng)有多個(gè)數(shù)量的噴嘴，這時(shí)需要較大的冷卻潤(rùn)滑液流量，如果潤(rùn)滑系統(tǒng)流量不足，會(huì)對(duì)噴嘴出口壓力產(chǎn)生影響。此時(shí)，可考慮采用噴口直徑小的噴嘴，以此減少流量并保持冷卻潤(rùn)滑液的噴射壓力。
采用合適的刀具和機(jī)床
在飛機(jī)工業(yè)，大多數(shù)鈦合金構(gòu)件從毛坯加工至成品要切除大量的材料。構(gòu)件成品的壁很簿，形狀又很復(fù)雜，常遇到的工序是銑削深槽。因此，提高銑削加工的材料切除率具有特別重要的意義。而提高材料切除率的限制因素是刀具的磨損，萊布尼茨漢諾威大學(xué)的生產(chǎn)技術(shù)和機(jī)床研究所（IFW）的研究表明，在銑削鈦合金（TiAl6V4）構(gòu)件時(shí)，采用較小的后角（α=6o）和相對(duì)較大的前角（γ=14o）進(jìn)行組合可減小刀具磨損。
由于鈦材料低的彈性模量，銑削時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)。針對(duì)這種情況，在刀具設(shè)計(jì)上擬采用不等分齒的銑刀，以及采用后角為零的狹窄制動(dòng)刃帶。為改善排屑，對(duì)刀具前面進(jìn)行拋光處理。
提高材料切除率，往往要采用較高的背吃刀量和側(cè)吃刀量，因此，在加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的切削負(fù)荷。由于鈦的彈性模量較低，易引起振動(dòng)。基于這些原因，機(jī)床應(yīng)具有很高的剛性、很好的阻尼性能和較高的主軸轉(zhuǎn)矩以及大功率的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置。對(duì)于端面銑削和園周銑削槽腔或槽，可靠的排屑特別重要，為此，機(jī)床應(yīng)采用臥式的主軸配置
目前，諸如DST公司的Ecoforce 2035 及2060加工中心、Hermle公司的C 60U 5軸加工中心和牧野公司的Makino T4均可用于鈦合金構(gòu)件的加工。其中Makino T4是專門為加工鈦合金而設(shè)計(jì)的，該機(jī)床除了具有很高的剛性、特別穩(wěn)定的機(jī)床結(jié)構(gòu)、臥式的主軸配置以及大功率主軸和高效的冷卻系統(tǒng)外，機(jī)床還具有主動(dòng)的阻尼系統(tǒng)，通過這種創(chuàng)新的阻尼系統(tǒng)可抑制特別在粗加工時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。該系統(tǒng)通過摩擦力與切削力成比例地作用于導(dǎo)軌，以達(dá)到摩擦力對(duì)切削力平衡作用。從而使Makino T4能夠?qū)崿F(xiàn)較深的切削深度，達(dá)到較高的材料切除率（在粗加工時(shí)：約500 cm3/min）和減小刀具磨損。
結(jié)語(yǔ)
高壓冷卻技術(shù)的眾多優(yōu)點(diǎn)在于延長(zhǎng)刀具壽命、控制切屑成形、提高切削速度和提高工件表面質(zhì)量，并由此提高生產(chǎn)效率。
目前，高壓冷卻技術(shù)已是一項(xiàng)成熟技術(shù)，在實(shí)際使用時(shí)，冷卻潤(rùn)滑液較高的壓力、足夠的流量和形成精確對(duì)準(zhǔn)切削刀刃和切屑之間接觸區(qū)的高能量射流，這對(duì)于切削刀具進(jìn)行有效冷卻和實(shí)施切屑的有效控制是一個(gè)基本條件。為獲得鈦合金構(gòu)件加工的最佳成果，要把高壓冷卻和刀具材料、涂層、幾何角度以及切削用量等要素的合理選用和設(shè)計(jì)結(jié)合起來。
因此，選用適合鈦合金加工的刀具以及具有高剛性、高阻尼性能和大進(jìn)給力的機(jī)床是實(shí)現(xiàn)鈦合金構(gòu)件經(jīng)濟(jì)切削的另一個(gè)重要條件。