在飛機（jī）工業中，對於鈦合金的（de）結構件，其材料切除量要達到90%。而像波音B-787這樣（yàng）的大型飛（fēi）機則是從超過90噸鈦（tài）合金加（jiā）工成總重量約為11噸的眾多不同構件。但（dàn）是，為了盡可能降（jiàng）低加（jiā）工成本（běn），值得（dé）去追求較高（gāo）的（de）材料切除率。然而（ér）在最近十年（nián）裏鈦材料切（qiē）除（chú）率隻是增加了（le）一倍，而鋁的材料切除率卻增加了5倍。目前，鋁的（de）材（cái）料切除率（lǜ）已達到10L/min或更高些，而對於（yú）鈦的切削剛剛達到0.5L/min。
 

      鑒於近幾年來，特別是在飛機（jī）製造業中，鈦合金零部件以及鈦合金/碳纖維連接構件份額不斷的增加，提高切削加工鈦合金材料的生產效率愈來愈具有重要的意義。

      鈦合金是很難切削（xuē）的材料

      然而，鈦合金（jīn）材料的這些優點卻成為其在切削（xuē）加工時（shí）的難點（diǎn）。鈦合金材料（liào）之所以難以切削，一個主（zhǔ）要原因之一是它很差的熱導率和較高的（de）比熱容。這阻礙了通過切屑和工件把切削（xuē）熱從切削區（qū）傳送出去。而大部分（fèn）的熱（約75%）傳給了切削（xuē）刀刃。很高的溫度促使在刀刃表麵上發生（shēng）擴散和粘結，形成積（jī）屑瘤，並同時由於（yú）鈦合金材料的高強度，在切削時產生較大的切削力。因此，在加（jiā）工過程中使刀具承受著很高的熱負載和（hé）機械負載。其次，鈦（tài）合金的彈性模量低，在（zài）切（qiē）削力作用下構件會產生變形，後又發生回彈（dàn），從而（ér）影（yǐng）響到構件的加工精度。

  
      從這裏可（kě）以看出，切（qiē）削鈦（tài）合金所存在的主要（yào）問（wèn）題是由於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（rán）會降低加工效（xiào）率和增加單（dān）件成本（běn）。例如，一個Ti6Al4V材質的渦輪增壓壓縮機（jī）葉輪，其製造（zào）費（fèi）用（yòng）的50%是用於切削加工的費（fèi）用。

  
      不難看出，解決鈦合金材料的切削問題在於采用耐高溫（wēn）的硬（yìng）質合金刀具（jù）和（hé）對（duì）切削過程中的刀具進行有效冷卻。為提高鈦（tài）合金材料的（de）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工作。在德國，特別是諸如Darmstadt工業大學、亞琛工業大學、Braunschweig工業大學、萊布尼（ní）茨漢諾威大學以及Dortmund工業大學等（děng）院校（xiào）在鈦合金切削機理、有限（xiàn）元模型分（fèn）析、仿真、刀具幾何角度、切削試驗和采用不同（tóng）冷卻方式等方麵開展了一（yī）係列（liè）研究，其中亞琛工業大學的（de）機床（chuáng）實驗室（WZL）還（hái）與伊斯卡（Iscar），肯納金屬（shǔ）（Kennmetal），山高刀具（Seco Tools）和山特維克（Sandvik）等刀具廠密切合作開展了（le）包括高壓（yā）冷卻（què）等技術的研究，而萊布尼茨（cí）漢諾威大學（xué）的生產技（jì）術和機床研究所（suǒ）（IFW）由空中客車（chē）德國公司、肯納金（jīn）屬、Paul Horn和Lehmann精（jīng）密刀具等公司進行（háng）資助，開展了“通過刀具開發，提高鈦材（cái）料銑削加工的材（cái）料切除率”項目的研究工（gōng）作。

圖1 在加工（gōng）鈦合金時，采用液（yè）氮進行冷卻可明顯減少刀（dāo）具的磨損

圖2 采用CO2冷卻的車削加工

圖（tú）3 外冷卻

圖4 高壓內冷卻

圖5　采用2MPa壓力（lì）的冷卻潤滑（huá）液進行外部冷卻（què）

圖 6　采（cǎi）用8MPa高壓冷卻潤滑（huá）液進行內部冷卻

圖7　采用（yòng）30MPa高壓冷卻潤滑液進行內部冷卻。

      高壓冷卻是一（yī）種有（yǒu）效（xiào）解決辦法

      研究表明，對刀具進行冷卻是解決鈦（tài）合金切削難題的一種有效辦法。目前，高效冷卻刀具的技術開發，主（zhǔ）要有二種發展途徑。一種是采用高壓冷卻（què）潤（rùn）滑，另一種是采用（yòng）冷（lěng）氣進（jìn）行冷卻，即（jí）采用液態氮（-196℃）或液態二氧（yǎng）化碳（CO2）（-65℃）進行冷卻，尤其是液氮，這對於冷卻銑刀是一種很（hěn）有應用前景的冷（lěng）卻方式（圖1）。應指出，采用氮冷卻或（huò）二氧化碳冷卻進行輔助的切削是一種幹（gàn）式加工，這種幹式冷卻不僅能冷卻（què）刀具（jù）、有助（zhù）快速斷屑（xiè）和延長刀具壽命外，仍具有幹切削加工（gōng）所具有的眾多經濟、技術和生態效益（yì）。如圖（tú）2。

  
      在目前，考慮到高壓冷卻的（de）良好冷卻（què）效（xiào）果，以及現有加工中（zhōng）心和車削中心又都配有冷卻潤滑設備，還有許多（duō）刀具廠家又都能提（tí）供用於這種高壓冷卻的刀具，並積累了許多實際使用經驗（無論是車削還是銑削），因此，采（cǎi）用通過主軸的高壓冷卻潤滑液無疑是成（chéng）為一（yī）種首選。

  
      采用常（cháng）規的大流量冷卻，冷卻潤滑液到達不了切削刀刃和切屑之間的切削區（圖3），不能有效地冷卻切削刀刃。 為實現有效冷卻（què）刀具，冷卻（què）潤滑液的供（gòng）給應以較高的壓力和（hé）足夠的流量（liàng），精確地對準切削刀刃和切屑（xiè）之間的接觸區（qū）（圖4）。在這個接觸區形成一個高能量衝擊楔，由（yóu）此縮短切屑和刀刃之間的接觸時間，降低切削區溫度，同時使切（qiē）屑變脆，通過冷卻和機（jī）械衝擊力這兩個效應的疊加，很快使切屑折斷並可靠排出，從而大大提高了加工的可靠性，由此也有利於實現切削過程（chéng）的（de）自（zì）動化。

  
      高壓冷卻有助於（yú）提高生產效率

  
      實踐表明，通過（guò）高壓冷卻可提高50%的（de）刀具耐用度。通過調節冷卻潤滑液的壓力大小（xiǎo）可以影響切屑（xiè）的形狀，從而改（gǎi）善斷屑。根據Iscar公司的資料，可以了解到在不同冷卻潤滑液的壓力下切屑成形的情況。在采用2MPa的壓力進行大流（liú）量外冷（lěng）卻時，切（qiē）屑成長條纏繞（rào）形的（de）切（qiē）屑（xiè）（圖（tú）5）；當采用8MPa壓力的內冷卻時，切屑在高壓衝擊下被折斷成小的弧形（xíng）切屑（圖6）。如果采用30MPa超高壓進行內冷卻，這時切屑變成了針狀形切屑（圖7）。從這三個實例中不難（nán）看出，通過高壓冷卻可以（yǐ）控製切屑的成形，由此提高切削過程（chéng）的可靠（kào）性，並可提高（gāo）鈦合金加工的切（qiē）削用量。

  
      在這裏應該指（zhǐ）出，在冷（lěng）卻潤滑液（yè）的壓力低於7MPa時，由於冷卻液在切削刀刃的（de）前麵產生汽化而形成汽泡，從而（ér）阻礙了（le）熱（rè）的傳導。當采用大於7MPa的（de）冷卻液壓力時，可以消除這種汽泡，使冷卻液直接噴到切削（xuē）部位。另外應指出，采用傳統的礦物油潤滑液，在高壓冷卻切削時，油中易吸入大（dà）量空（kōng）氣，致使散熱效率變差。為此，德國（guó）Fuchs Europe潤滑材料公司開發了一種基於（yú）合成脂的具有排氣（qì）性能的冷卻潤滑液（Ecocool TN2525 HP）可提高冷卻潤（rùn）滑液（yè）的散熱（rè）冷卻效果。

  
      在鈦合金加（jiā）工（gōng）時（shí），主要（yào）采用機械夾固可轉位片的刀具（jù）和（hé）整體硬質合金刀具。按常（cháng）規，粗加工時（shí）的切削速度一般為（wéi）50m/min左右，精加工的（de）切削速度為（200-300）m/min，在采用高壓冷（lěng）卻後（hòu），切（qiē）削速度可提高20%，此時（shí）不會因提高了切削速度（dù）而隨之使溫度（dù）提高。如果采用超高壓冷卻，同時又采用CBN刀具時，切削速度還可以進一步（bù）提高（gāo）。但是，所用的超高壓冷卻潤滑裝置需要進行專門的配備。因為加工中心，車削中心（xīn）和多功能複合機床所配備的冷卻潤滑裝置（zhì）的壓力一般隻有（7-10）MPa。

  
      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（xuē）參數提供了條（tiáo）件。采（cǎi）用（yòng）高的切削參數可以（yǐ）顯著提高生產（chǎn）效率，大幅度降低單件費用。雖然通過高壓冷（lěng）卻刀（dāo）具耐用度可提高50%，但是，由（yóu）於刀具費用一般隻占製造費用（yòng）的3%，因此這隻能使單件（jiàn）費用減少1.5%。

  
      采用高壓冷卻，要注意準確的協調壓力、流量和噴嘴孔徑之間（jiān）的關係。根（gēn）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的冷卻潤滑液（yè）流量。因此，噴嘴（zuǐ）孔徑大小應選擇使其產生最高的壓力和可（kě）以最佳地利（lì）用冷卻潤滑液的流量。

  
      對於銑削加工，在采用多個刀片的情況，相應有多（duō）個數量的噴（pēn）嘴，這時需要較大的冷卻潤滑液流量，如果潤滑係統流量不足，會對噴嘴出口壓力產生影響。此時，可考慮采用噴口直徑（jìng）小的噴嘴，以此減少流量並保持冷卻潤滑液的噴射壓力。

        
      采用合適的（de）刀具和機床

        
      在飛機工業，大多數鈦合金構件從毛坯加工至成品要切除大量的材料。構件成品的壁很簿，形狀又很複雜，常遇到的工序是銑削（xuē）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（de）限製因素是刀具的磨（mó）損（sǔn），萊布（bù）尼茨（cí）漢諾威大學的生產技術和機床研究所（IFW）的研究表明，在銑削鈦（tài）合金（TiAl6V4）構件時，采用較小的後角（α=6°）和相（xiàng）對較大的前角（γ=14°）進行組合可減（jiǎn）小刀（dāo）具磨損。

  
      由於鈦材料低的彈性模量（liàng），銑削時易（yì）產生振動。針對這種情況，在刀具設（shè）計上擬采用不等分齒的銑刀，以及采用（yòng）後角為零的（de）狹（xiá）窄製動刃帶。為改善排屑，對刀具前麵進（jìn）行拋光處理。

  
      提（tí）高（gāo）材料切除率，往往要采用較高的背吃刀量和側吃刀量，因此，在加工時會產生較（jiào）大的切削負荷。由（yóu）於鈦的彈性模量（liàng）較低，易引起振動。基於這些原因，機床應具有很高的剛性、很好的阻尼性能和較高的主軸轉矩以及大功（gōng）率的進給驅動裝置。對（duì）於端麵銑削和園周（zhōu）銑削槽腔或槽，可靠的排屑特別重要，為（wéi）此，機床應（yīng）采用臥式的主軸配置。

  
      目前，諸如DST公（gōng）司的Ecoforce 2035 及2060加工中心、Hermle公司的（de）C 60U 5軸（zhóu）加工（gōng）中心和牧野公司的Makino T4均可用於（yú）鈦合金構件的加（jiā）工。其中Makino T4是專門為加工鈦合金而設計的，該機床除了具有很（hěn）高的剛性、特別穩定的機床結構、臥式的主（zhǔ）軸配置以及大功率主軸和高效的冷卻係統外，機床還具有主動（dòng）的阻尼係統，通過這種創新的阻尼係統可抑製特別在粗加工時產生的振動。該係統通過（guò）摩（mó）擦力與切（qiē）削力成比例（lì）地作用於導軌，以達到摩擦力對切削力平衡作用。從而（ér）使Makino T4能夠實現較（jiào）深的（de）切削深度，達（dá）到較高的材料切除率（在粗加工時：約500 cm3/min）和減小刀具磨損。

  
      結語

  
      高壓冷卻技術的眾多優點在於延長刀（dāo）具壽命、控製切屑成形、提高切削速度和提高工件表麵質量，並由（yóu）此提高生產效率。

  
      目前，高（gāo）壓冷卻技術已是一（yī）項成熟技術，在實際使用時（shí），冷卻潤滑液較高的壓力、足夠的流量和形成精確對準切削刀刃和切屑（xiè）之間接觸區（qū）的高能量射流，這對於切削刀具進行有效冷卻（què）和實施切屑的有效控製是一個基本條件。為獲得鈦（tài）合金構件加工的最佳成（chéng）果，要把高壓冷卻和刀具材料、塗層、幾何角度以及切削用量等要素的合理選用和設計結合起來（lái）。

  
      因此，選用適合鈦合金加工的（de）刀（dāo）具以及具有高剛性、高阻尼性能（néng）和大進給力的機床是（shì）實現鈦合金（jīn）構件經濟切（qiē）削的另一個重要條件。