钛合金高效高速数控加工机床应用现状与最新发展

钛合金高效高速数控加工机的应用现状及最新发展钛合金材料，由于其高比强度等独特的优点，被航空宇宙工业广泛用作飞机的构造用材料。 本文详细论述了大型钛合金高效高速加工技术及其数控加工机床的发展应用现状和新趋势。目前，铝合金材料的高效高速数控加工机床技术已相当成熟和广泛应用。 随着钛合金材料整体构件在大型飞机上的应用不断增加，切削加工的低效率成为大型飞机快速制造的瓶颈，配备高功率高扭矩主轴的钛合金材料高速数控机床成为众多航天制造业用户特别关注、优先考虑的现代化先进的主要制造设备之一。 所有这些，工业界都开始关注钛合金材料HEM-HSM加工技术及其装备的发展和工业应用。 世界许多着名的数控机床和主轴厂商也加强了该技术领域的开发研究能力，一些机床厂商还建立了专业的研发中心，积极地为航天制造业提供了大型复杂钛合金材料整体结构物HEM-HSM加工应用的数控加工机床。众所周知，工业界迄今为止对高速加工技术HSM没有统一、明确、权威、公认的定义。 事实上，在HSM技术中，“高速”是相对概念，HSM中定义的“高速”速度范围取决于工件材料和切削过程类型。 钛合金材料的加工性Kr仅为0.220.35，是切削加工困难的金属材料，其高速切削速度范围(1001，200 m/min )远低于铝合金材料(2，5007，500 m/min )。 例如在直径50mm的工具中，主轴转速4，000 r/min下的切削速度为628m/min，在铝合金材料中，这不能承受高速的边缘，但在钛合金材料中，这已经是高速的。 显然，用于钛合金材料HEM-HSM加工的高速数控加工机床与铝合金材料的情况明显不同，简单地说，铝合金材料需要高功率高旋转主轴的数控加工机床，钛合金材料需要高功率高转矩主轴的数控加工机床。钛合金材料为什么难以切削加工钛合金材，钛合金ti-6al-4v (简称ti-6-4 )抗拉强度为900MPa，硬度为250375HB，密度为4.42 g/cm3，钛合金材整体结构部件广泛应用于现代军用飞机，除此之外，还应用于现代大型客机，其材料重量占飞机结构总重量的比例迅速上升因此，实现钛合金材料结构的高效切削加工成为大型飞机制造生产的关键。 但是，与铝合金材料相比，钛合金材料是加工困难金属材料，其切削加工的难点主要表现在以下方面大放厥词通常已知，金属材料的硬度和强度越高，切削加工所需的切削力越大，切削温度越高，刀具磨损越快，相对加工性也越差。 例如，铝合金材料相对加工性系数Kr为2.07.5，高强度钢Kr为0.30.7，钛合金Kr为0.220.35，航空高强度高温合金Kr为0.070.3 . 因此，钛合金材料的切削加工比铝合金等轻金属材料的切削加工需要更大的切削力，通常需要约1，000几千牛(Newton，n )，是通常的钢材的24倍，是铝合金材料的1040倍。 用4齿径32mm立铣刀以深度19mm、钛合金材料20 cm3/min的金属切除率进行切削加工，产生4，445 n (1，000 lbs )的负荷力，工具磨损50%时，负荷力增加到8，890 n。 因此，加工钛合金等硬合金材料需要较大的切削力，意味着需要高转矩主轴，或者只允许较低的切削速度，是铝合金材料的约10%。高切削温度在切削加工钛合金材料时，通常切屑与刀尖刃的接触面较小，切削点的温度极高，可达到1，1001，200左右，切削区的高温状态容易使刀尖立即熔化或粘结，加剧了刀具的磨损。另外，钛合金材料热传导率低，仅为合金钢的约15%、铝合金材料的5% (钛热传导率15.24 W/mK； 钛合金Ti-6-4为7.56W/mK； AISI 4340合金钢为44.6W/mK号钢为50.2W/mK； 7075铝合金为130W/mK )，约80%的切削加工中产生的热传递给工具，像典型的高速切削加工铝合金等金属材料一样75%的热传递给切屑，传递给工具的只有约15%。 因此，钛合金切削中刀具切削点的高温热难以被切屑迅速夺取，加速了刀具的磨损。 这决定了必须用高压大流量的冷却液对钛合金材料进行切削加工。容易生成固化层钛化学活性高，在高温条件下易发生化学反应，切削表面形成硬化层，深度达0.10.15mm，表层硬度大幅提高，刀具磨损加速。 同时，高化学活性加工中切屑与刀具粘结现象严重，刀具磨损加速。高摩擦功钛合金的摩擦系数大，切削过程中切屑通过刀具前倾面所需的摩擦功大，摩擦界面温度极高，刀具磨损进一步加速。容易发生弹性变形或振动钛合金的弹性模量小(钛合金Ti-6-4为110kN/mm2，钢CK 45110 kn/mm2，110 kn/mm2 )，因此切削时容易产生弹性变形和振动，不仅影响部件的加工尺寸精度和加工表面粗糙度，而且加工面的弹性恢复大，约为不锈钢的23倍，同样同时，钛合金具有低弹性模量，橡胶特性明显的倾向，容易发生在刀具的切削刃上，同样也加速了刀具的磨损，制约了较高的切削速度。扩大mrr提高履历pleaseupgradetofullversionofmagiczoom图1钛合金金属切除率mrr提高履历(鼠标悬浮窗口放大、点击放大全图表示)低切削速度之所以在上述钛合金的切削加工中成为问题，是因为在切削过程中刀具磨损严重，刀具的耐久性下降。 因此，为了改善钛合金材料的加工性能，保证切削工具的寿命，通常切削加工钛合金材料要求较低的切削速度。 用传统的加工方法切削加工钛合金零件，切削速度一般不超过4050m/min，粗加工时的金属切除率mrr一般不超过40cm3/min，精加工时的mrr一般不超过l0cm3/min。 采用HEM-HSM加工时，当前的切削速度为1001，200 m/min，金属切除率mrr最高达到700cm3/min，请参照右图。 但在实际工业生产中，为了确保足够的耐久性，刀具通常低于该最高值，典型的切削速度为100400m/min，金属切除率mrr典型的为100400cm3/min。小刀具接触圆弧系数为了维持高刀具耐久性、改善加工品质，切削加工钛合金材料整体一般要求刀具接触电弧系数40%，高切削速度(120m/min )要求刀具接触电弧系数15%，普通钢要求50-100%。 刀具接触圆弧系数定义为刀具切削宽度WOC (径向切削深度、径向切削深度)与刀具直径d的比率。 另外，工业实践表明，刀具接触圆弧系数25%时，切削速度增加50%，刀具接触圆弧系数10 %时，切削速度增加100%。考虑到上述钛合金材料切削加工的特殊性，对铝合金材料的切削加工效率、加工精度、加工表面粗糙度、工具耐久性、颤振抑制和变形控制等提出了更高的要求。 因此，世界许多着名的数控机床厂商积极发展传统的高速数控加工机床，推出了适合钛合金材料整体结构材料HEM-HSM加工的各种高速数控加工机床。 例如，日本Makino公司在Mason工厂设立了钛合金加工技术研究开发中心，近几年推出了钛合金材料的高效高速数控加工机床。对钛合金数控加工机床的基本要求目前，许多机床厂商出售的用于大型铝合金等轻合金材料的HEM-HSM切削加工的高效率高速数控机床，实现高强度钢、不锈钢、钛合金、航空高温合金等具有高强度和高硬度的难加工金属材料的HEM-HSM加工明显不合适主要原因包括：1 .如上所述，加工钛合金等硬合金材料需要较大的切削力，或者需要高转矩主轴，但典型地，用于铝合金等轻合金材料的HEM-HSM切削加工的高效率高速NC机床的主轴转矩大多不足100Nm，一般为200Nm以下，钛合金等硬合金2 .如前所述，加工钛合金等硬合金材料通常只能使用较低的切削速度，即较低的主轴转速，但典型用于铝合金等轻合金材料的HEM-HSM切削加工的高效高速数控机床的主轴转速范围不符合当前钛合金材料加工工艺的要求。因此，对钛合金材料HEM-HSM加工中数控加工机床的结构、刚性、动态特性、主轴和坐标驱动、冷却系统、刀具和刀具接口及控制系统等多个重要数控零件的设计制造提出了新的要求。 主要包括若干基本要求，包括：高功率高转矩主轴由金属切削加工基本原理可知，对金属材料进行铣削加工时mrr=aeapzfZn10-3=PSMRF(cm3/min )(1)PS=SPFmrr(kW )(2)PS/n=T/9555T10-4(3)式中r:mrr金属切除率、cm3/min；ae宽WOC、mm；ap切口DOC (轴向切口、轴向深度of cut )、mm；fZ每齿进给量，mm/刃旋转；z刃齿数n主轴转速、r/min；PS主轴功率，kW；T主轴转矩、Nm；MRF金属切除指数(Metal Removal Factor )，cm3min-1/kW；SPF主轴功率指数(Spindle Power Factor )、kW/cm3min-1；另外，F=n fZ z (mm/min )，f是加工进给率.由式(1)和(2)可知，为了得到较高的金属切除率mrr，钛合金材料HEM-HSM加工的NC机床的主轴应该首先具有足够高的功率。 现在，相对于钛合金材料(Ti-6-4 )的主轴功率指数SPF典型地为0.06kW/cm3min-1，是典型的铝合金材料的4倍。 在实际的工业生产中，综合考虑到工具寿命、机床的特性、加工精度、加工品质等各要素的制约，现在，由铝钛合金材料(Ti-6-4 )得到的金属切除率mrr约为40700cm3/min (典型地为100400cm3/min )，仅为铝合金材料的510% . 因此，加工钛合金材料时所需的主轴功率可能比加工铝合金材料时低，但SPF比铝合金材料高。 加工钛合金材料时主轴功率以22.5kW为宜，加工铝合金材料时主轴功率以70 kW为宜。 目前用于钛合金材料零件HEM-HSM切削加工的NCMC机床，其典型主轴功率为3060kW，呈逐年提高的趋势，目前最高超过100kW。另外，根据式(3)，为了决定主轴功率，为了得到较大的切削力(高转矩)，要求采用较低的主轴转速(较低的切削速度)，或者对主轴提供足够高的额定功率/转速比，通常要求大于0.1。 因此，用钛合金材料HEM-HSM加工的数控机床主轴的额定转矩必须在1，000 nm级以上。主轴特性曲线的发展趋势pleaseupgradetofullversionofmagiczoom图2钛合金切削理想主轴特性曲线趋势(鼠标悬浮窗口放大、点击放大全图表示)通常，钛合金材料HEM加工要求主轴转速小于1，000 r/min，典型的是200400 r/min，主轴转矩为3001，500 nm，HSM加工时的典型的主轴转速为3，0008，000 r/min，典型的转矩为80250Nm . 高效加工(HEM )的新型钛合金材料(Ti-5-5-5-3 )和航空高温合金材料要求在更低的主轴转速以及不足100r/min的条件下，提供更大的主轴转矩以及2，0003，000 nm。 右图显示了目前用于钛合金材HEM-HSM加工的理想主轴功率/转矩-转速特性曲线的趋势。 显然，这是高输出高转矩宽度低转速控制的主轴特性曲线，与用于铝合金材料HEM-HSM加工的高输出高转速宽度转速控制的主轴特性曲线明显不同。 正因为这个明显的不同，铝合金材料HEM-HSM加工机为F1赛车，钛合金材料HEM-HSM加工机为大型推土机。高刚性和高动态响应性由于钛合金等难加工材料的加工需要高输出高转矩主轴，因此主轴自身要求高刚性，此外，机床要求比加工铝合金材料时的刚性(包括高刚性、高动刚性、高热刚性)和高动态响应性(高定位/重复定位精度、高进给速度、高加速度)。 同时，机床坐标轴的驱动要求足够高的驱动力，特别是在具有旋转坐标轴的情况下，要求能够向旋转轴提供足够高的驱动扭矩，一般需要1，000 nm以上，典型的是2，0005，000 nm，大型机床需要数千 20，000 nm。可靠的工具界面使用高功率高扭矩主轴切削加工时，要求机床主轴工具接口装置具有足够的张紧力和能够传递大扭矩的能力。 同时，为了抑制低频加工的振动，对刀具接口装置也要求高刚性。 因此，钛合金材料的高效率高速NC加工机通常配置HSKA100，HSKA125为典型，使用HSKA160。低频加工稳定性如上所述，在高效率地加工钛合金或航空高温合金等难加工材料整体的部件的情况下，只能使用低切削速度、即低主轴转速(100r/min以下)。 因此，获得低频加工的稳定性是用于钛合金等硬合金材料切削加工的数控机床应满足的基本要求之一。众所周知，NC加工设备中存在自然频率(也称为固有频率、剪切频率、谐振频率)。 典型的数控加工机自然频率通常小于350Hz。 同时，构成数控机床的各部件的自然频率也不同。 机床的自然频率约为20 Hz，立柱约为95 Hz，主轴约为320 Hz。 加工零件时，刀具的刀刃周期性地敲击机床的结构零件，如果敲击的频率接近机床的结构零件的自然频率范围，则刀具可能发生颤振，可能产生毁灭性的结果。 因此，为了避免或抑制这种振动的产生，有必要在机床的设计阶段改变机床的结构设计。 例如，加厚床位，更加坚固地设计立柱，提高部件质量，使连接