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钛合金高效加工技术研究

发表时间:2018-01-29 11:33
高速、高性能切削技术的快速发展,使飞机制造工艺水平达到了前所未有的高度,其在钛合金等航空难加工材料的高效、精密、低成本加工中占重要地位。钛合金高效切削技术是一项整体技术,不仅需要先进的机床、刀具,而且还需要与之相配套的工艺技术,如优化的切削参数、合理的刀/工材料组配、有效的冷却润滑技术等工艺系统技术条件的支持。目前高速、高性能切削技术是欧美发达工业国家的研究热点和主要发展方向,美国Rand公司曾在2001年的军机成本估算报告中,明确将钛合金等难加工材料的高性能切削技术作为现代飞机结构制造的核心技术之一。
 
  在钛合金等航空难加工材料的高效切削这一研究领域,目前国内外已从机床、刀具、切削介质、切削工艺以及切削机理等方面进行了大量的研究。高速、高性能切削机床及刀具的研发,使得钛合金等航空难加工材料的高效切削加工成为可能。但对于钛合金这一典型航空难加工材料,高速、高性能切削的最主要难点是由于刀具磨损随着切削速度的提高而快速增加,导致加工费用高、加工效率和成品率低,严重影响零件质量以及加工效率。针对这一难题,国内外学者已经开展了许多有意义的研究与分析工作,一方面力求在切削速度极限方面有所突破;另外,还从新型刀具的应用、新型冷却润滑技术的应用、刀具磨损机理分析、切削变形与切屑形成机理、切削参数优化等方面进行相应的高速切削试验与数值模拟等研究,并提出了一些针对钛合金材料的新型切削技术。
 
  在切削速度与切削方式的试验研究方面,Kitagawa等利用K10硬质合金刀具进行了铣削(31.4~628 m/min)和断续/连续车削(30~300 m/min)的对比试验,铣削时切削速度可高达628 m/min,而连续车削时却不能超过200m/min,断续切削时的前刀面最大温度比连续切削时的温度低约15%。这说明了在高速铣削过程中,由于刀齿断续的温升、非切削间隔的冷却以及螺旋角的存在等原因,使得高速铣削比高速车削更容易实现。在应用新型刀具材料研究方面,主要应用复合涂层硬质合金刀具、超细晶粒硬质合金刀具以及新型超硬刀具材料提高加工效率。在新型超硬刀具方面如采用聚晶金刚石(PCD)刀具、聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具、以及无结合剂立方氮化硼(BCBN)刀具高速铣削钛合金等,切削速度可达200m/min以上。但这些新型刀具材料在加工难加工材料时易破损、费用高。
 
  在采用新型刀具结构研究方面,在钛合金等航空难加工材料切削加工时,由于刀具磨损快和切削力大等极易导致产生切削颤振,进而造成刀具破损和零件超差。采用变螺旋角铣刀、错位波形前刀面铣刀等新型刀具结构可以部分程度抑制铣削颤振,但其制造工艺复杂。此外,对于优化刀具几何角度以提高刀具切削性能方面的研究仍不理想,有必要探索新型刀具减摩抗磨技术,如应用刀具表面织构技术等。
 
  上述诸多研究,有力推动了钛合金等航空难加工材料高速、高性能切削加工技术的发展,但综合国内外已有的研究结果,仍有不少科学和技术问题需要进一步深入研究:①有必要对钛合金切削加工中的热-力耦合现象进行系统、深入的研究。②对于钛合金切削加工中的热-力耦合作用对刀具的各类磨损形态与磨损机理的影响仍然缺乏必要的理论与试验支持。③由于金属切削过程的复杂性,有关切削刀/屑、刀/工接触区的摩擦磨损问题至今仍是金属切削加工领域难以解决的关键问题。④优化不同切削速度段及不同切削方式下的钛合金材料与刀具材料的组配,优化刀具切削刃几何角度与切削参数,以及开发新型刀具减摩抗磨技术等,以延长刀具寿命和提高切削效率,是当前钛合金高效切削加工研究的重中之重。
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