引言

近年來，航空業(yè)對鈦合金的需求大幅增加，使用鈦合金的大型飛機(jī)數(shù)量非常多。鈦合金具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性好等特點(diǎn)。在航空領(lǐng)域，鈦合金主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮盤、管道板、渦輪盤、機(jī)艙板等生產(chǎn)部件，以及大型飛機(jī)著陸工具、外部薄片、融合板、孵化器等結(jié)構(gòu)部件，液壓系統(tǒng)和后部融合構(gòu)件部位。航空業(yè)對輕質(zhì)和高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的需求越來越依賴于鈦合金。例如，α鈦合金具有良好的耐熱性和較強(qiáng)的抗氧化性；β鈦合金具有良好的防偽特性，具有較強(qiáng)的冷成型和熱增強(qiáng)特性；α+β鈦合金可進(jìn)行熱增強(qiáng)和良好的抗疲勞性能的檢測和處理。然而，在減少鈦合金的過程中，高溫和高電阻可能會(huì)增加加工后表面冷變質(zhì)的發(fā)生，增加磨損率[1]，導(dǎo)致表面完整性質(zhì)量不好，影響鈦合金的壽命和發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。加工后工作區(qū)域的完整性由鈦合金材料的切削結(jié)果決定[2]。因此，本文從鈦合金加工工具的切削參數(shù)、固定件和加工性能等方面介紹了航空鈦合金表面完整性及加工方法。

1、航空鈦合金加工方法及表面完整性控制方法設(shè)計(jì)

1.1刀具的選擇

在加工鈦合金材料時(shí)，切割刀具需要具備良好的熱分布和高溫耐性。切割儀器必須保持刀頭和表面的清潔。本文推薦使用具有良好熱管理和高強(qiáng)度的固體合金刀具，同時(shí)確保刀頭側(cè)面進(jìn)行圓弧過渡處理以避免坍塌和開裂[3]。在加工過程中，將刀頭存放在車軸上以便臨時(shí)清除碎屑，防止其附著在刀頭上。

為了避免儀器與涂層和鈦合金之間的親和力反應(yīng)，不建議使用鈦固體合金和鈦涂層儀器[4]。目前市場上存在的適用于加工鈦合金的切削工具經(jīng)過改進(jìn)，可以提高鈦合金材料的復(fù)雜性、熱張力和切削效率，促進(jìn)鈦合金行業(yè)的發(fā)展。本文建議使用ISCARIC20，SECOCP200和CP500，以及WalterWSM30等具有抗變形能力的切削工具。常用的鈦合金加工工具和涂層如表1所示。

1.2刀具的磨損及解決辦法

在分解切割鈦合金時(shí)速度快、切割量大，新月形凹陷在儀器前表面處于最高切割溫度，在刀頭邊緣和新月形之間有一條清晰的邊緣線[5]。新月形凹陷的寬度和深度會(huì)通過增加刀頭的涂層、降低刀頭的嚴(yán)重程度隨著繼續(xù)使用儀器而逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致邊緣塌陷。刀片磨損的電子顯微圖像如圖1所示。

圖 1 刀片磨損的電子顯微圖像

在處理鈦合金材料時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面：

（1）錨固和支撐。在確定鈦合金件的固定位置時(shí)，確保錨固的強(qiáng)度與工作場所的承載能力相匹配，選擇穩(wěn)定可靠的位置，并在必要時(shí)增加額外的支撐或提高零件的剛性，以確保鈦合金件在加工過程中的固定位置穩(wěn)定。

（2）減少振動(dòng)。通過將鈦合金板的壓力點(diǎn)盡可能靠近工件機(jī)器的表面來減少切割過程中產(chǎn)生的振動(dòng)。這可以通過調(diào)整切削線速度和速度、刀具參數(shù)（如頻率、力量、聲音和振動(dòng)等）來實(shí)現(xiàn)。

（3）清理切屑沉積物。及時(shí)清理和更換影響刀具保護(hù)的刀刃，減少切屑沉積物的堆積。檢查和清理不規(guī)則的切屑沉積物，以減少振動(dòng)對儀器使用壽命和加工質(zhì)量的影響。為了減少或避免在鈦合金切削過程中發(fā)生切屑沉積，制造實(shí)踐中使用的方法通常包括增加切削速度、通過VAT金屬的物理涂層逐漸增加切削深度和高壓冷卻系統(tǒng)。

（4）刀頭角度選擇。由于鈦合金的塑性較低，碎屑和刀頭表面之間的接觸面積小。當(dāng)切削加工時(shí)，主要在刀頭的正面產(chǎn)生刀具的損耗。因此需選擇較小的刀頭角度，通常為0?～5?[6]。較小的刀頭角度可以增加芯片與刀頭表面之間的接觸面積，有助于邊緣的熱量分布，并減少儀器和零件之間的摩擦。

（5）葉片設(shè)計(jì)。選擇葉片底面與底桿接觸面的V形組合，在加工過程中可以提高葉片桿的夾緊強(qiáng)度，防止葉片振動(dòng)，提高鈦合金表面的完整性質(zhì)量。

1.3利用切削參數(shù)控制表面完整性

鈦合金的切削參數(shù)主要包括切削深度、進(jìn)給速度和切削速率等。鈦合金的切削速率是影響其切削結(jié)果的主要因素。通過對鈦合金零件恒速減速和恒定線速度減速的對比實(shí)驗(yàn)，相比之下，恒速下的減速率被認(rèn)為比恒定線速度下的減速更差。因此，加工過程中的切削深度不能太大。而當(dāng)鈦合金的切割速度為vc=60m/min，進(jìn)給速度為f=0.127mm/r，切割深度約為0.05～0.1mm時(shí)，硬化現(xiàn)象極少出現(xiàn)在鈦合金表面。

由于精密加工后，層的復(fù)雜性主要出現(xiàn)在工件的表面，會(huì)產(chǎn)生很大的切割熱[7]。當(dāng)切削熱積聚時(shí)，鈦合金表面的金屬鍍層結(jié)構(gòu)和部分表面會(huì)形成固體層。如果分布的深度太小，則分布的提取發(fā)生在工件的表面上，從而導(dǎo)致零件表面易產(chǎn)生硬化層。因此，在裝配鈦合金零件時(shí)，設(shè)備的精度分布深度必須大于儀器的被動(dòng)尺寸，這樣的鈦合金選擇應(yīng)該是合適的。進(jìn)料速率可以基于各種R儀器和精密設(shè)備來選擇，通常優(yōu)選較低的進(jìn)料速率。這是因?yàn)殁伜辖鸩牧系拇罅窟M(jìn)料會(huì)增加儀器的阻力，從而導(dǎo)致熱引起的局部塌陷。使用不同類型及材質(zhì)的刀具切削鈦合金的常用參數(shù)如表2所示。

參數(shù)控制技術(shù)的選取將總傾斜度參數(shù)與超聲波振動(dòng)參數(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)切割儀器的高頻或工作空間的振動(dòng)。與普通磨削相比，有助于轉(zhuǎn)彎的超聲波振動(dòng)可以改善切割的傾斜環(huán)境，延長刀具的使用壽命，并控制表面完整性。

2、實(shí)驗(yàn)論證

不同參數(shù)產(chǎn)生了不同的表面形態(tài)，在不同程度上反映了各種設(shè)備對表面完整性的不同影響。為了驗(yàn)證本文提出的航空鈦合金加工方法及表面完整性控制研究方法的有效性，選用本文研究的方法和傳統(tǒng)方法1、傳統(tǒng)方法2同時(shí)對表面完整性進(jìn)行測試，并比較三種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

樣品材料為TC18鈦合金，相關(guān)化學(xué)、物理和機(jī)械性能如表3、表4所示。

本文采用陜西智源貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的MCV-L850三軸立式機(jī)械中心和SY-2000超聲波機(jī)械系統(tǒng)（圖2）進(jìn)行了鈦合金的百萬次實(shí)驗(yàn)。

圖 2 超聲波機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2對比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整電流輸入值來改變超聲波振幅。橫向裝置是一種四邊形橫向刀頭裝置，覆蓋有螺旋角為45°的TiAlN固體合金。機(jī)器使用液體切削。實(shí)驗(yàn)的主要工藝參數(shù)如表5所示。

對于每個(gè)處理參數(shù)，都使用新的工具進(jìn)行處理，以避免儀器重疊影響測試結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)主要從表面粗糙度方面進(jìn)行了觀察和分析。使用KeyenceVK-XX100激光顯微鏡系統(tǒng)測量表面不確定度值，感知表面形態(tài)，并隨機(jī)選擇照片場中10條不確定度線的平均值作為測量結(jié)果。使用HV-1000IS圖像分析微硬度測試來評估微硬度的值，確定200g的負(fù)載和保持時(shí)間15s。鑒于嚴(yán)重程度分布的不均勻性，測量區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)機(jī)械表面，從而確保了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。使用X-350AX射線應(yīng)力測試測量表面的粗糙度并進(jìn)行記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖 3 三種方法對比結(jié)果

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文研究方法在降低表面粗糙度方面具有明顯的優(yōu)勢。平均粗糙度為1.72，低于傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法相比于傳統(tǒng)方法具備更優(yōu)的表面粗糙度控制效果，實(shí)用性更強(qiáng)。

3、結(jié)語

鈦合金通常難以進(jìn)行加工，在加工處理過程中具有高切削阻力、高切削溫度和刀頭易磨損問題。因此，選擇合適的儀器和儀器的角度是鈦合金加工面臨的主要問題。本文提出了航空鈦合金加工方法及表面完整性控制研究方法。含有固體合金的鈦具有良好的擴(kuò)散性，可以在儀器表面形成穩(wěn)定的鈦合金層，起到抑制磨損的作用。通過進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論本文設(shè)計(jì)航空鈦合金加工方法能夠有效控制鈦合金表面的完整性，穩(wěn)定鈦合金加工的質(zhì)量，并提高鈦合金加工產(chǎn)品的壽命。

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作者簡介：丁明亮（1982.04-），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科，高級工程師，研究方向：機(jī)械加工制造。