如何提高鈦合金切削加工的效率

鈦合金材料因比強度高、密度小、耐腐蝕、耐高溫和焊接性好等優異性能，在航空領域得到越來越廣泛的應用。基于上述優點，鈦合金材料成一些零部件的首選材料。鈦合金的一些物理力學性能給切削加工帶來了較大難度。鈦合金切削時變形系數小，使得切屑在前刀面上滑動摩擦路程增大，加速刀具磨損。鈦合金導熱系數小，切削時產生的熱量不易傳出，集中在切削刃附近的小范圍內。鈦合金彈性模量小，加工時在徑向力的作用下容易產生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損并影響零件的精度。由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具容易產生粘結磨損。

鈦合金切削時，切削刃附近區域切削溫度高，主要是高溫熱效應作用下加劇了刀具磨損。對于硬質合金刀具而言，磨損主要是粘結溫度所引起的粘附磨損。在刀具直徑允許情況下，可以盡量采用帶有內部冷卻功能的刀具 ，這種刀具噴出的冷卻液角度恰好集中在刀尖區域，可有效地降低切削區域溫度，延長刀具壽命，提高刀具的耐用度。通常內冷刀具直徑較大，對于小曲率半徑的曲面或區域，可以預先采用大直徑帶內冷的刀具進行粗加工，以提高加工效率。銑削加工是不連續的切削過程，加工中刀具承受斷續的沖擊負荷，在銑削加工中發現，工藝裝備系統的剛性較差時，在切削力、裝夾力、切削振顫等因素作用下，刀具磨損加劇，耐用度明顯下降。同切削試驗，根據刀具磨損程度和加工時間確定，但通常留有一定裕度。常規加工中，機床操作者可以根據機床振動變化、切削噪聲的突然提高、主軸功率顯示表等判斷刀具磨損的情況。如果加工中應用刀具破損自動監測技術，能夠動態隨時準確進行刀具磨損狀態分析、監控，則刀具壽命可以安全地適度延長。

鈦合金高效切削參數獲取：企業在目前的產品制造中，已經滿足了刀具軌跡的優化驗證需求，但尚未完全解決優化切削參數的獲取方法問題。近年來，各企業正在積極研究鈦合金的高效切削技術。據悉，西方國家大型鈦合金整體葉盤切削速度可以達到300mm/min或更高。航空發動機制造企業所擁有的進口機床先進性與國外企業相當，切削所采用的刀具相當一部分也是進口刀具，可以說從硬件上已經具備了相同的實力，但是加工效率和國外相比差距不小，特別是鈦合金等難加工材料的加工效率亟待提高，經分析存在以下一些原因：
（1）有針對性的基礎切削試驗不足，難以得到具有較高切削速度的參數做工藝決策支撐。
（2）企業獲取切削參數渠道有限，通常來自刀具供應商手冊推薦數據。這種參數盡管是來自于國外供應商較為系統的切削試驗數據，但試驗條件和環境與企業加工零件的工況差異不同，很難完全照搬手冊數據。
（3）高效切削參數試驗和獲取的周期較長。由于企業機床以產品批量生產為主體，很難抽出專用設備開展專項試驗，切削數據的優化試驗往往與真實零件的加工同步進行，存在較大風險。特別是在精加工工序，切削后零件表面已經無余量，要顧及到萬一切削參數使用不當，產生斷刀、崩刃或其它極容易引起表面質量問題的情況。 因此，高效切削參數試驗數據的選取需要分階段逐步提升，謹慎而行，不可能在較短的周期內快速提高。往往需要多個批次、多個零件的加工驗證，乃至持續數年，從驗證機到原型機，甚至產品進入定型階段還在進行提高加 工效率的精益改善。
（4）科研院所的研究成果工程化推廣與應用不充分。事實上科研院所對難加工材料的高效加工極為重視，并開展了大量試驗，取得一些成就。但所作的切削試驗不是完全基于發動機零件的真實加工環境，包括試驗零件所 選取的工藝特性數據例如：零件真實尺寸、結構形狀、零件剛性、裝夾方式、刀具懸伸等等。因而是一種共性的試驗而不是典型特征試驗，因此切削參數在實際應用中有局限性。作為企業一方亟需要得到科研院所的技術支撐，共同合作，以加快企業技術創新和提升制造能力的步伐。國外的高效（高速）切削參數多數來自設立在企業的切削實驗室，根據試驗結果指導生產現場，通常大型企業的切削試驗室科研能力與高校不分伯仲。這種科研體制具有針對性強、見效快、易于全面推廣的優點。

隨著數字化制造技術的飛速發展，金屬切削過程的有限元仿真作為制造工藝的一種新型技術，正逐漸融入機械加工領域，是推動未來高效切削工藝快速發展的途徑之一。通過切削仿真不僅可以預報切削力，分析切削過程中應變、應變率、應力和溫度等狀態變量的分布，同時還可以預報刀具磨損、工件殘余應力，并進一步優化切削參數。有限元法的引入豐富了鈦合金切削機理的研究手段 。研究學者針對鈦合金加工中的刀具磨損仿真預測進行了研究，建立了綜合考慮刀具多種磨損因素下的仿真模型 ，可在一定程度上實現刀具磨損的仿真預測。隨著數值計算理論和軟件工具的不斷發展，切削過程仿真和預測必將在切削加工理論和技術的研究中起到重要作用。