引言

近年來(lái)，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數量非常多。鈦合金具有結構強度高、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)機壓縮盤(pán)、管道板、渦輪盤(pán)、機艙板等生產(chǎn)部件，以及大型飛機著(zhù)陸工具、外部薄片、融合板、孵化器等結構部件，液壓系統和后部融合構件部位。航空業(yè)對輕質(zhì)和高強度結構的需求越來(lái)越依賴(lài)于鈦合金。例如，α鈦合金具有良好的耐熱性和較強的抗氧化性；β鈦合金具有良好的防偽特性，具有較強的冷成型和熱增強特性；α+β鈦合金可進(jìn)行熱增強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(guò)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)機的運行。加工后工作區域的完整性由鈦合金材料的切削結果決定[2]。因此，本文從鈦合金加工工具的切削參數、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計

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度的固體合金刀具，同時(shí)確保刀頭側面進(jìn)行圓弧過(guò)渡處理以避免坍塌和開(kāi)裂[3]。在加工過(guò)程中，將刀頭存放在車(chē)軸上以便臨時(shí)清除碎屑，防止其附著(zhù)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，不建議使用鈦固體合金和鈦涂層儀器[4]。目前市場(chǎng)上存在的適用于加工鈦合金的切削工具經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可以提高鈦合金材料的復雜性、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(xiàn)[5]。新月形凹陷的寬度和深度會(huì )通過(guò)增加刀頭的涂層、降低刀頭的嚴重程度隨著(zhù)繼續使用儀器而逐漸擴大，導致邊緣塌陷。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)，確保錨固的強度與工作場(chǎng)所的承載能力相匹配，選擇穩定可靠的位置，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(guò)程中的固定位置穩定。

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

（3）清理切屑沉積物。及時(shí)清理和更換影響刀具保護的刀刃，減少切屑沉積物的堆積。檢查和清理不規則的切屑沉積物，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(guò)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(guò)VAT金屬的物理涂層逐漸增加切削深度和高壓冷卻系統。

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

1.3利用切削參數控制表面完整性

鈦合金的切削參數主要包括切削深度、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果的主要因素。通過(guò)對鈦合金零件恒速減速和恒定線(xiàn)速度減速的對比實(shí)驗，相比之下，恒速下的減速率被認為比恒定線(xiàn)速度下的減速更差。因此，加工過(guò)程中的切削深度不能太大。而當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)，硬化現象極少出現在鈦合金表面。

由于精密加工后，層的復雜性主要出現在工件的表面，會(huì )產(chǎn)生很大的切割熱[7]。當切削熱積聚時(shí)，鈦合金表面的金屬鍍層結構和部分表面會(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該是合適的。進(jìn)料速率可以基于各種R儀器和精密設備來(lái)選擇，通常優(yōu)選較低的進(jìn)料速率。這是因為鈦合金材料的大量進(jìn)料會(huì )增加儀器的阻力，從而導致熱引起的局部塌陷。使用不同類(lèi)型及材質(zhì)的刀具切削鈦合金的常用參數如表2所示。

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

2、實(shí)驗論證

不同參數產(chǎn)生了不同的表面形態(tài)，在不同程度上反映了各種設備對表面完整性的不同影響。為了驗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方法1、傳統方法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)驗結果。

2.1實(shí)驗準備

樣品材料為T(mén)C18鈦合金，相關(guān)化學(xué)、物理和機械性能如表3、表4所示。

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

圖 2 超聲波機械系統結構

2.2對比實(shí)驗

實(shí)驗通過(guò)調整電流輸入值來(lái)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。機器使用液體切削。實(shí)驗的主要工藝參數如表5所示。

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

實(shí)驗主要從表面粗糙度方面進(jìn)行了觀(guān)察和分析。使用KeyenceVK-XX100激光顯微鏡系統測量表面不確定度值，感知表面形態(tài)，并隨機選擇照片場(chǎng)中10條不確定度線(xiàn)的平均值作為測量結果。使用HV-1000IS圖像分析微硬度測試來(lái)評估微硬度的值，確定200g的負載和保持時(shí)間15s。鑒于嚴重程度分布的不均勻性，測量區域為整個(gè)機械表面，從而確保了測量結果的準確性。使用X-350AX射線(xiàn)應力測試測量表面的粗糙度并進(jìn)行記錄，實(shí)驗結果如圖3所示。

圖 3 三種方法對比結果

2.3實(shí)驗結論

根據上述實(shí)驗結果可知，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，低于傳統方法1和傳統方法2。實(shí)驗結果表明，本文方法相比于傳統方法具備更優(yōu)的表面粗糙度控制效果，實(shí)用性更強。

3、結語(yǔ)

鈦合金通常難以進(jìn)行加工，在加工處理過(guò)程中具有高切削阻力、高切削溫度和刀頭易磨損問(wèn)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(wèn)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散性，可以在儀器表面形成穩定的鈦合金層，起到抑制磨損的作用。通過(guò)進(jìn)行對比實(shí)驗，得出結論本文設計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(jiǎn)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：機械加工制造。

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