“鈦合金”難加工怎么辦?一定要讀懂這6個(gè)關(guān)鍵加工工藝技術(shù)
為滿足隱身、長壽命以及結(jié)構(gòu)輕量化等方面的性能要求，鈦合金結(jié)構(gòu)件在現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中被大量應(yīng)用(如圖1所示)。鈦合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)件主要包括框、梁、壁板等，主要有輪廓尺寸大、槽腔多、槽腔深、壁薄且通常具有變斜角理論曲面等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，數(shù)控加工時(shí)材料去除率高達(dá)90%~95%，薄壁、深槽腔特征占80%以上，為典型的弱剛性結(jié)構(gòu)，加工狀態(tài)極不穩(wěn)定。由于鈦合金材料本身彈性模量低、彈性變形大、切削溫度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、高溫時(shí)化學(xué)活性高，使得切削粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重，容易加劇刀具磨損甚至破損，導(dǎo)致鈦合金切削加工性較差。
在鈦合金飛機(jī)整體框、梁及大型壁板制造過程中，由于零件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，外形協(xié)調(diào)性要求高，零件裝配協(xié)調(diào)面、交點(diǎn)孔等數(shù)目多，零件制造精度要求高，加工過程中金屬去除量大、相對剛度較低、加工工藝性差，在切削力、切削振動(dòng)、切削熱等多種因素的影響下，導(dǎo)致在加工中容易出現(xiàn)讓刀、變形、振動(dòng)等問題，加工質(zhì)量很難控制。而鈦合金本身作為一種典型的難加工材料，對機(jī)床、刀具、加工工藝等要求極高。因此，上述諸多因素導(dǎo)致傳統(tǒng)的鈦合金航空結(jié)構(gòu)件加工只能在低切削用量水平上進(jìn)行，生產(chǎn)周期長，加工成本較高，鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的加工已成為航空制造業(yè)中復(fù)雜的制造工藝難題。
鈦合金航空構(gòu)件關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢
1 鈦合金零件工裝裝夾技術(shù)
鈦合金零件裝夾原則是：
(1)粗加工階段夾緊力要大，防止在大切削力加工過程中零件松動(dòng);精加工階段夾緊力要小，防止裝夾變形。
(2)夾緊力作用在剛性好的地方，且施力點(diǎn)盡可能多。
(3)對于剛性較差的薄壁結(jié)構(gòu)零件應(yīng)增加適當(dāng)?shù)妮o助裝置，增加整個(gè)加工工藝系統(tǒng)的剛性。
國外大量采用了自動(dòng)化程度較高的專用夾具，如采用液壓可調(diào)整工裝，在加工零件外輪廓中當(dāng)切削刀具接近壓緊點(diǎn)時(shí)壓板自動(dòng)讓開，刀具切削后壓板立即返回原位壓緊零件。還有一些公司采用與被加工零件相同的材料制造夾具、壓板，裝夾時(shí)與零件形成一體，切削過程中不必考慮避讓夾具壓板，加工效率明顯提高。
國內(nèi)對鈦合金航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工中的工裝夾具缺少較為深入的研究和開發(fā)，更多的是采用簡單機(jī)械裝夾方式。簡單機(jī)械裝夾方式受人為因素影響，夾緊力不容易控制。還有一些平面型單面結(jié)構(gòu)、厚度較小結(jié)構(gòu)件的夾緊采用真空吸附方式，而真空吸附方式對于厚度較大、雙面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件吸附效果較差。
對于剛性較低的工件，夾緊力是引起零件變形的一個(gè)重要因素。在加工中，夾緊力與切削力間的波動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生耦合作用，引起加工殘余應(yīng)力和工件內(nèi)部殘余應(yīng)力的重新分布，影響工件的變形。特別是薄壁零件剛性差，加工時(shí)夾、壓的彈性變形將影響表面的尺寸精度和形狀、位置精度。因夾緊力與支承力的作用點(diǎn)選擇不當(dāng)，也會引起附加應(yīng)力。對于此類零件的數(shù)控加工，在裝夾方面可采用“基于加工過渡外形的柔性裝夾”方法，即通過測量自由狀態(tài)下的過渡外形并調(diào)節(jié)凸臺高度和頂部斜率，使得裝夾系統(tǒng)的柔性凸臺外形與零件過渡外形在自由狀態(tài)下完全貼合，避免裝夾變形。柔性凸臺的分布可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，使得裝夾力分布均勻(如圖2所示)。
中航工業(yè)成飛與清華大學(xué)合作，針對柔性工裝以及柔性支撐部件的設(shè)計(jì)制造進(jìn)行了探索。但是，柔性工裝的制造成本和制造周期較長，在實(shí)際大型鈦合金結(jié)構(gòu)件加工裝夾中，通常通過采用“無應(yīng)力裝夾”方式，即在剛性凸臺上加墊片來避免裝夾變形，取得了較好的應(yīng)用效果。
鈦合金結(jié)構(gòu)件裝夾布局優(yōu)化等方面的許多理論和實(shí)際應(yīng)用問題有待進(jìn)一步研究和解決，未來主要的研究和發(fā)展趨勢包括以下兩個(gè)方面：一是合理裝夾方案的設(shè)計(jì)，通過合理的裝夾方案設(shè)計(jì)有效地增加工藝系統(tǒng)的剛度，減少工件的變形，提高切削加工的穩(wěn)定性;二是新的輔助支承裝夾方式的研究，對于薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金零件而言，傳統(tǒng)采用輔助支承以增加結(jié)構(gòu)剛性的工藝手段，難以滿足高精度的加工要求，且操作復(fù)雜、效率低，需突破一些新的輔助支承裝夾方法。
2 鈦合金加工刀具技術(shù)
隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展，高速切削刀具材料和刀具制造技術(shù)都發(fā)生了巨大的變化，新材料、新涂層、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。然而，目前刀具技術(shù)仍是限制鈦合金等難加工材料加工效率提高的一個(gè)技術(shù)瓶頸。由于鈦合金彈性模量低、彈性變形大、切削溫度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、高溫時(shí)化學(xué)活性高，使得切削粘刀現(xiàn)象嚴(yán)重，容易加劇刀具磨損甚至破損，導(dǎo)致鈦合金切削加工性較差。因此鈦合金加工刀具技術(shù)成為制約鈦合金高效加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。
從提高金屬去除率的角度出發(fā)，目前鈦合金航空結(jié)構(gòu)件高效粗加工刀具主要有玉米銑刀、插銑刀、大進(jìn)給銑刀以及組合刀具等(如圖3所示)。其中，采用玉米、插銑刀以及組合刀具等對機(jī)床功率和扭矩有一定的要求，而大進(jìn)給銑刀對機(jī)床功率和扭矩以及剛性無特殊要求。已有加工應(yīng)用表明，采用大進(jìn)給銑刀，切削效率可有效提高50%以上。
從控制零件的加工精度出發(fā)，鈦合金航空結(jié)構(gòu)件高效精加工刀具主要為整體螺旋立銑刀，如圖4所示。采用密齒刀具(5~10齒)可以顯著改善加工表面粗糙度，而采用不等齒距立銑刀，可有效提升極限切深。
隨著新型刀具材料的出現(xiàn)和新型刀具的不斷發(fā)展，國內(nèi)外針對鈦合金切削加工刀具方面，做了大量的研究工作。如T. Kitagawa等對硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金切削機(jī)理進(jìn)行了研究，表明硬質(zhì)合金刀具的晶粒大小以及Co元素含量的高低直接影響其切削鈦合金時(shí)的性能，并指出YG類硬質(zhì)合金刀具更適合加工鈦合金。J. Vigneau研究了涂層刀具切削鈦合金的切削性能，傳統(tǒng)的涂層多為TiC和TiCN涂層，在切削過程中Ti元素易與工件發(fā)生親和而加快刀具磨損速度。CBN由于具有硬度高，耐熱性好而且有很高的穩(wěn)定性，是高速切削鈦合金的良好刀具，這種刀具價(jià)格比較昂貴，國內(nèi)有關(guān)機(jī)構(gòu)還沒有進(jìn)行深入的研究。在刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，G. D. Vasilyuk通過增大刀尖圓弧半徑來增加切削阻尼，從而消除顫振;C.R.LIU在切削過程中通過在線控制刀具前角、后角、刃傾角來抑制顫振;德國學(xué)者V. Sellmeiert對不等齒距立銑刀穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和理論研究等。
國內(nèi)針對鈦合金切削加工刀具也進(jìn)行了大量研究。在多項(xiàng)國家基礎(chǔ)科研項(xiàng)目的支持下，成飛公司數(shù)控廠與多家國內(nèi)高校合作，在鈦合金高速、高效切削刀具方面，研究了刀具與工件的組成成份之間的元素?cái)U(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)以及相互粘結(jié)和熔解，并建立了切削刀具與鈦合金材料力學(xué)、物理和化學(xué)性能的合理匹配關(guān)系模型和匹配設(shè)計(jì)理論;研究了高速切削條件下的刀具磨損與破損機(jī)理，以及不同冷卻方式對鈦合金加工切削性能及刀具壽命的影響，建立了鈦合金高速加工刀具壽命模型;基于刀具和工件剛度匹配關(guān)系的多自由度非線性動(dòng)力學(xué)模型，以無顫振穩(wěn)定切削下的高材料切除率和高加工表面質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，建立刀具剛度與工件剛度的匹配關(guān)系模型;通過對硬質(zhì)合金立銑刀螺旋角及齒間角對高速加工振動(dòng)的影響研究，發(fā)現(xiàn)采用非對稱結(jié)構(gòu)的變齒間角及變槽深結(jié)構(gòu)，可有效提高鈦合金切削穩(wěn)定性，并自主設(shè)計(jì)了適合鈦合金高效加工的整體硬質(zhì)合金刀具。
綜合成飛公司數(shù)控廠在鈦合金高速、高效加工方面的技術(shù)積累與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，實(shí)現(xiàn)鈦合金高速、高效與高精度加工所需突破的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：鈦合金高速切削加工刀具，減小敏感方向切削力，保證切削加工過程中刀具足夠的剛度，滿足抑制切削顫振要求;鈦合金刀具材料、結(jié)構(gòu)需降低鈦合金高速加工過程中的粘結(jié)、擴(kuò)散磨損，提高刀具壽命;鈦合金高速加工刀具冷卻需充分，降低切削溫度以提高刀具壽命。
總之，鈦合金等難加工材料的高速、高效與高精度切削加工對刀具材料與結(jié)構(gòu)提出了特殊的要求，發(fā)展新型刀具關(guān)系著切削生產(chǎn)率的進(jìn)一步提高。發(fā)展新型鈦合金高速、高效切削刀具，在材料方面最主要的性能要求應(yīng)是具有更高的強(qiáng)度、硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性、耐磨性以及抗涂層破裂性能等;在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面應(yīng)增強(qiáng)刀具的減振、抗振性能，通過刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進(jìn)能保證更充分的冷卻，降低切削加工時(shí)的溫度，提高切削速度和刀具壽命。
3 加工表面質(zhì)量控制技術(shù)
鈦合金零件表面質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到其使用壽命和性能，是高速高效切削的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。飛機(jī)零件由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的要求，常需要多種刀具進(jìn)行切削加工，刀具之間的接痕使得零件加工表面質(zhì)量不穩(wěn)定，同時(shí)由于對切削參數(shù)缺少系統(tǒng)的研究也對零件表面加工質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。針對表面粗糙度、硬度和殘余應(yīng)力的研究是表面質(zhì)量研究的重要內(nèi)容。
表面粗糙度研究方面： 在切削過程中，不僅刀具工件相對運(yùn)動(dòng)、刀具幾何參數(shù)對粗糙度具有影響，振動(dòng)、刀具磨損、切削變形、切削熱等因素也不可忽視。H. Parisn考慮加工系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，建立了高速銑削表面粗糙度的預(yù)測模型。山東大學(xué)陳建嶺等通過試驗(yàn)研究了銑削參數(shù)對粗糙度、表層微觀組織的影響。綜合工件與刀具相對運(yùn)動(dòng)的幾何特征，建立了鈦合金銑削加工表面粗糙度的理論模型，揭示了其形成機(jī)理。
加工硬化研究方面： 在切削加工中，由于材料塑性變形強(qiáng)化和熱軟化的綜合作用，使已加工表面產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。加工硬化對材料疲勞強(qiáng)度和耐磨性具有影響。20世紀(jì)50年代，Oxley等學(xué)者就開始了加工硬化研究，在直角切削模型中考慮了加工影響現(xiàn)象。C. R. Li應(yīng)用有限元方法研究了低速加工工件表層硬度分布，建立了以剪切面長度為已加工表面變形參數(shù)的模型。
殘余應(yīng)力研究方面： 切削加工引起的殘余應(yīng)力對零部件變形、應(yīng)力腐蝕和疲勞壽命具有重要影響。N. Fang等研究了刀具幾何形狀對殘余應(yīng)力的影響。日本學(xué)者米谷茂對車削加工工件已加工表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。國內(nèi)華南理工大學(xué)在20世紀(jì)80~90年代較早地開始了切削加工殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理的理論和試驗(yàn)研究。
此外，山東大學(xué)孫杰建立了基于刀具和工件剛度匹配關(guān)系的多自由度非線性動(dòng)力學(xué)模型，通過模態(tài)試驗(yàn)等手段分析了不同條件下刀具和工件的剛度狀況，以及不同剛度條件下刀具和工件各自對銑削穩(wěn)定性的影響，并繪制了銑削穩(wěn)定性極限圖。基于多自由度動(dòng)力學(xué)模型，分析了刀具和工件模態(tài)耦合對銑削穩(wěn)定性的影響，獲得了典型鈦合金薄壁件高速切削過程不同切削加工工藝、不同工件剩余壁厚等多變量對切削穩(wěn)定性的影響，以無顫振穩(wěn)定切削下的高材料切除率和高加工表面質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，建立刀具剛度與工件剛度的匹配關(guān)系模型。
總之，鈦合金結(jié)構(gòu)件表面質(zhì)量控制技術(shù)涉及機(jī)床、刀具、切削參數(shù)、走刀路徑、冷卻潤滑以及裝夾等諸多方面。目前，成飛在進(jìn)行鈦合金結(jié)構(gòu)件表面質(zhì)量控制技術(shù)研究方面，主要通過采用高性能整體硬質(zhì)合金刀具、控制精加工切削余量、采用物理仿真手段優(yōu)化減小切削力等方法，以保證零件的表面粗糙度、加工硬化以及殘余應(yīng)力等滿足設(shè)計(jì)要求。但是，針對鈦合金尤其是Ti6Al4V高速銑削切削加工的表面完整性研究，如在粗糙度、加工硬化和殘余應(yīng)力的形成機(jī)理以及它們之間內(nèi)在聯(lián)系方面，還需要深入研究。
4 薄壁件加工及讓刀控制
弱剛性零件加工是復(fù)雜的制造工藝難題，而鈦合金弱剛性零件除了鈦合金材料本身所具有的難加工特性外，其薄壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)給加工帶來了更大困難，主要表現(xiàn)在：(1)加工尺寸精度難以控制。大量薄壁件的使用，特別是大尺寸薄壁件具有壁薄、腔深的特點(diǎn)，易產(chǎn)生加工變形，零件的尺寸精度難于保證;(2)表面質(zhì)量難以保證。深腔薄壁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及鈦合金自身材料特點(diǎn)導(dǎo)致鈦合金整體結(jié)構(gòu)件加工過程中極易產(chǎn)生振顫，使表面質(zhì)量惡化;(3)加工效率難以提高。工件剛性弱，易產(chǎn)生顫振等特點(diǎn)導(dǎo)致傳統(tǒng)的鈦合金整體結(jié)構(gòu)件加工只能在低切削用量水平上進(jìn)行，生產(chǎn)周期長，成本高。
薄壁件加工過程中，由于切削力的作用，刀具和工件均會產(chǎn)生一定的彈性變形。CAD/CAM系統(tǒng)在規(guī)劃刀具軌跡和選取工藝參數(shù)時(shí)，基于零件的理想幾何形狀，不考慮諸如工件、刀具變形等因素，導(dǎo)致實(shí)際加工表面與理論值存在偏差。因此加工讓刀是薄壁類零件的加工中最為突出的工藝問題，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)及有關(guān)企業(yè)均投入大量精力對薄壁件的讓刀進(jìn)行預(yù)測與控制。
國外的研究主要集中在，以三維銑削力建模為基礎(chǔ)進(jìn)行讓刀量的分析與預(yù)測，其中開展研究較早、影響較為廣泛的是Yusuf Altintas，他在建立銑削三維切削力模型的基礎(chǔ)上，借助有限元分析計(jì)算方法，研究了整體銑刀加工薄壁件所產(chǎn)生的讓刀及其在工件表面的分布。法國的Plilippe Depince利用刀具與工件的接觸點(diǎn)關(guān)系，對刀具在加工過程中所表現(xiàn)出的彈性變形特征對工件表面幾何加工精度的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)借助接觸點(diǎn)分析獲得的讓刀量比傳統(tǒng)的只考慮刀具讓刀所產(chǎn)生的讓刀量更符合實(shí)際情況。
國內(nèi)近年來在薄壁件切削力建模、切削過程穩(wěn)定性、工件表面幾何精度預(yù)測與控制、刀具彈性變形等方面，均開展了較為深入的研究。其中，中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司通過整合機(jī)床、工裝、刀具及加工工藝成為高性能的切削工藝系統(tǒng)，使鈦合金薄壁件的加工效率在近5年內(nèi)提高了20%，是國內(nèi)極少數(shù)具有大尺寸鈦合金薄壁類結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)能力的航空企業(yè)之一。由國家863“鈦合金薄壁類零件高速切削技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目資助，成飛公司與山東大學(xué)合作建立了基于石蠟基復(fù)合材料輔助加固鈦合金薄壁件高效加工的系統(tǒng)工藝方法，形成了包括石蠟基復(fù)合材料配方、石蠟基復(fù)合材料融化、填加、回收等在內(nèi)的整套工藝，開發(fā)研制的新型鈦合金薄壁件石蠟輔助加固裝置，已申請國家發(fā)明專利，能有效解決鈦合金結(jié)構(gòu)件加工難題，實(shí)現(xiàn)加工成型，減小鈦合金薄壁件切削加工過程中的振動(dòng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：采用石蠟基復(fù)合材料輔助加固鈦合金薄壁件加工振動(dòng)加速度比不采取加固措施條件下的振動(dòng)加速度減小86.4%，腹板讓刀變形減小58.6%，有效提高了超小尺寸薄壁結(jié)構(gòu)的加工能力。
盡管國內(nèi)外均針對薄壁件銑削加工的切削力、穩(wěn)定性及讓刀等方面展開了較為深入的研究，但基于單因素的研究成果往往受到其它因素的制約而不能在工程應(yīng)用上發(fā)揮其效能。缺乏綜合考慮工藝系統(tǒng)、加工參數(shù)、加工刀具、工裝夾具的鈦合金薄壁件高效加工系統(tǒng)理論來指導(dǎo)企業(yè)工程實(shí)際應(yīng)用。因此，綜合考慮加工工藝系統(tǒng)的鈦合金薄壁件高效加工技術(shù)將是今后的主要研究方向。
5變形控制技術(shù)研究與應(yīng)用
航空結(jié)構(gòu)件加工變形可分為兩大類：結(jié)構(gòu)局部變形和外形輪廓整體變形。結(jié)構(gòu)局部變形主要出現(xiàn)在切削加工過程中，通常表現(xiàn)為讓刀、局部彎曲等，其尺度局限在刀具與工件的接觸區(qū)域附近。整體輪廓變形主要表現(xiàn)為切削加工完成后(如卸除工裝夾具后)的整體彎曲、扭曲以及零件放置過程中的伸長和縮短等，其變形量與結(jié)構(gòu)件外形輪廓尺寸成正比。大尺寸整體結(jié)構(gòu)件加工后往往表現(xiàn)為外形輪廓的整體變形，主要由材料大量去除后內(nèi)應(yīng)力再平衡分布引起，溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮和放置過程中的自然時(shí)效也是引起整體輪廓變形的重要因素。
在美國、西歐和日本，對鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工變形控制已積累一定的經(jīng)驗(yàn)。法國巴黎航空工業(yè)學(xué)院與國家宇航局針對飛行器整體結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與制造問題，聯(lián)合建立了專門的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)室，深入研究加工變形的工藝控制和安全校正等問題。日本的巖部洋育等針對切削力引起的薄壁零件的“讓刀”變形，提出平行雙主軸加工方案。Nervi Sebastian建立了毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力引起加工變形的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，指出零件的最終變形情況與毛坯初始應(yīng)力的分布狀態(tài)，零件在毛坯中的位置和形狀密切相關(guān)。
國內(nèi)有關(guān)航空整體結(jié)構(gòu)件的加工變形預(yù)測及控制方面的研究主要集中在南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)和山東大學(xué)等院校。南京航空航天大學(xué)武凱、何寧等采用數(shù)值模擬技術(shù)研究了框體結(jié)構(gòu)零件的腹板、側(cè)壁加工變形規(guī)律及其變形控制方案，提出了大切深法和分布環(huán)切法充分利用薄壁件自身剛性以減小加工變形，提高加工精度。并且考慮到內(nèi)應(yīng)力的釋放導(dǎo)致變形，通過應(yīng)力檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測加工過程中內(nèi)應(yīng)力的變化，據(jù)此制定優(yōu)化的工藝路徑控制工件變形。山東大學(xué)路冬等建立了基于系統(tǒng)剛度變化的工件變形控制模型，采用遺傳算法與有限元方法相結(jié)合的優(yōu)化方法優(yōu)化夾緊點(diǎn)數(shù)目及位置來控制加工過程中工件變形。對加工后仍然存在變形的零件采用變形校正工藝。山東大學(xué)孫杰通過仿真和試驗(yàn)手段系統(tǒng)地研究了航空結(jié)構(gòu)件安全校正理論，提出了復(fù)雜變形的校正方法，通過機(jī)械方法對已變形零件進(jìn)行校正。
鑒于鈦合金整體結(jié)構(gòu)件變形問題的復(fù)雜性，后續(xù)研究有以下問題需要注意：
(1)鈦合金航空整體結(jié)構(gòu)件的變形是多因素綜合作用的結(jié)果，包括毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力、工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特性、工藝過程等，對不同結(jié)構(gòu)零件應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，找出導(dǎo)致加工變形的關(guān)鍵因素，有針對性地采取控制措施。
(2)大多數(shù)薄壁件變形的研究都是在有限元的基礎(chǔ)上，得到了薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的一些規(guī)律，從而提出相應(yīng)的變形控制工藝措施，缺少系統(tǒng)的理論依據(jù)，并且在分析過程中往往只考慮引起變形的單因素，具有一定的片面性。
6冷卻潤滑技術(shù)研究與應(yīng)用
在鈦合金結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工過程中，刀/工摩擦接觸區(qū)的高溫、高壓、高頻沖擊等對刀具性能提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，刀具的急劇磨損往往是制約切削效率提高的關(guān)鍵因素。面對現(xiàn)代制造技術(shù)在“高效、低能耗、環(huán)保”等方面的高要求，如何選用合理有效的冷卻潤滑方式，以改善刀/工摩擦狀態(tài)和抑制刀具磨損，從而提高加工質(zhì)量和加工效率，同時(shí)加工過程環(huán)境友好，是鈦合金航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工冷卻潤滑方式優(yōu)化選擇時(shí)必須考慮的重要技術(shù)要素。
解決鈦合金材料的切削問題需要采用耐高溫的高性能刀具，并對切削過程中的刀具進(jìn)行有效冷卻潤滑。在鈦合金常規(guī)速度切削加工中，一般采用濕式切削，如圖5所示，以達(dá)到降低切削區(qū)溫度，進(jìn)而達(dá)到延長刀具使用壽命的目的。但切削液的制造、使用、處理及排放要消耗大量的能源和資源，且對環(huán)境造成污染。若采用乳化液等高速濕式切削鈦合金，由于熱疲勞破損等反而使刀具壽命極低。目前，在鈦合金高速加工中，主要采用常溫或低溫條件下的風(fēng)冷和微量潤滑等冷卻潤滑方式，氣體介質(zhì)主要有空氣、N2、CO2等。此外，采用液氮冷卻高速加工鈦合金，亦可有效延長刀具壽命，但對刀具冷卻裝置要求較高，不易推廣應(yīng)用。
針對鈦合金等難加工材料冷卻潤滑方式的研究，國內(nèi)外諸多刀具生產(chǎn)廠家和高等院校均開展了大量的試驗(yàn)研究工作。在德國，特別是諸如達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)、亞琛工業(yè)大學(xué)、布倫瑞克工業(yè)大學(xué)以及多特蒙德工業(yè)大學(xué)等院校，在鈦合金切削機(jī)理、有限元模型分析、仿真、切削試驗(yàn)和采用不同冷卻方式等方面均開展了一系列研究，其中，亞琛工業(yè)大學(xué)的機(jī)床實(shí)驗(yàn)室(WZL)還與伊斯卡(Iscar)、肯納金屬(Kennametal)、山高刀具(Seco Tools)和山特維克(Sandvik)等刀具廠，密切合作開展了包括高壓冷卻等技術(shù)的研究。從Iscar公司提供的資料可以了解到在不同冷卻潤滑壓力下車削鈦合金時(shí)切屑成形的情況。在采用2MPa的壓力進(jìn)行大流量外冷卻時(shí)，產(chǎn)生成長條纏繞形的切屑;當(dāng)采用8MPa壓力的內(nèi)冷卻時(shí)，切屑在高壓沖擊下被折斷成小的弧形切屑;如果采用30MPa超高壓進(jìn)行內(nèi)冷卻，這時(shí)就變成了針狀形切屑。從上述實(shí)例不難看出，通過高壓冷卻可以控制切屑的成形，提高切削過程的可靠性，并提高切削用量。
我國近年來在鈦合金冷卻潤滑領(lǐng)域的理論研究以及應(yīng)用上取得了長足進(jìn)步。已有研究表明，在鈦合金高速切削過程中，采用普通切削液會加劇鈦合金材料在刀具表面粘結(jié)層的剝落頻率，加重刀具涂層的粘結(jié)剝離，因而普通切削液有加重復(fù)合涂層刀具磨損的趨勢，而傳統(tǒng)切削液在鈦合金加工過程中，還會造成銑削刀具空行程驟冷，從而加劇刀具熱應(yīng)力梯度，在刀具表面形成熱裂紋加劇刀具磨損破損，故而在使用金剛石刀具切削鈦合金零件時(shí)，可使用一種新型的以二氧化碳、水及植物油霧化后的霧狀混合物作為冷卻介質(zhì)的加工技術(shù)，達(dá)到冷卻、潤滑及保護(hù)金剛石刀具的目的。此外，采用低溫氮?dú)馍淞鹘Y(jié)合微量潤滑高速銑削鈦合金時(shí)能夠較為有效地降低銑削力、抑制刀具磨損，在低溫氮?dú)馍淞鳁l件下，只要熱裂紋的形成與擴(kuò)展未引起刀具的崩刃及刀面的剝落，進(jìn)一步降低低溫氮?dú)獾臏囟葘⑻岣叩毒叩氖褂脡勖?/span>
近年來，微量潤滑切削以其良好的冷卻、潤滑、排屑以及低污染等綜合性能而受到了工業(yè)界的普遍關(guān)注，是高速、高性能切削加工采用的主要冷卻潤滑方式之一。目前，國內(nèi)工業(yè)企業(yè)和科研院所已采購了大量的可配備微量潤滑功能的高速切削機(jī)床，微量潤滑或低溫微量潤滑切削隨著現(xiàn)代高速切削機(jī)床的普遍使用而得到了一定程度的推廣應(yīng)用。成飛公司的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，相對于濕式切削，采用低溫微量潤滑高速切削鈦合金等難加工材料，刀具壽命提高30%以上。
目前，國內(nèi)鈦合金高效切削專用冷卻介質(zhì)的研究與應(yīng)用還與國外存在較大差距，在生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用的國產(chǎn)冷卻介質(zhì)相對缺乏。在航空制造企業(yè)，鈦合金冷卻潤滑介質(zhì)主要采用進(jìn)口產(chǎn)品(如辛辛那提米拉克龍、嘉實(shí)多等)，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且對我國航空制造企業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展存在一定的隱患，急需在鈦合金高效切削專用冷卻潤滑介質(zhì)領(lǐng)域進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，充分利用高效、低污染、可持續(xù)發(fā)展的新型冷卻潤滑介質(zhì)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作及科研成果的轉(zhuǎn)化，爭取早日實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)冷卻潤滑介質(zhì)的國產(chǎn)化。此外，切削加工現(xiàn)場環(huán)境質(zhì)量安全與切削介質(zhì)的環(huán)境污染問題一直是困擾機(jī)械制造業(yè)的難題之一。如何在推廣應(yīng)用高性能冷卻潤滑技術(shù)的同時(shí)，有效監(jiān)測和控制切削現(xiàn)場的空氣質(zhì)量，使其對人體健康的影響降低至安全可靠的標(biāo)準(zhǔn)之下，同時(shí)又能有效地提高金屬切削加工質(zhì)量與切削加工效率，則是我國工業(yè)界和機(jī)械制造技術(shù)領(lǐng)域所必須重點(diǎn)關(guān)注的問題。
結(jié)束語
我國航空制造企業(yè)近年來通過加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，以及引進(jìn)吸收國外先進(jìn)制造技術(shù)，對鈦合金結(jié)構(gòu)件的加工工藝方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，大幅度提高了鈦合金航空結(jié)構(gòu)件的加工效率與加工質(zhì)量。但我國大型飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工仍處于起步階段，加工效率及質(zhì)量都還明顯落后于發(fā)達(dá)國家， 已成為制約整個(gè)飛機(jī)研制和生產(chǎn)的“瓶頸”之一，急需通過更為深入的產(chǎn)學(xué)研合作提高科研水平與生產(chǎn)效率，加大科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力的力度。
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