在（zài）飛機工業中，對於鈦合（hé）金的結構件，其材（cái）料切除量要達到90%。而像波音B-787這（zhè）樣的大型飛（fēi）機則是從超過90噸鈦合金加工成總重量約為11噸的眾多不（bú）同構件。但（dàn）是（shì），為了盡可能降低加工成（chéng）本，值得去追求較高的材料切除率。然（rán）而在最近十年裏鈦材料（liào）切除率隻是增加了一倍，而鋁的材料切除率卻增加了5倍。目前，鋁的材料切除率已達到10L/min或更高些，而對於鈦的切削剛剛達到0.5L/min。
 

      鑒於近幾年來（lái），特別是在飛（fēi）機製造（zào）業中，鈦合金（jīn）零部件以及鈦合（hé）金/碳纖維連接構件份額不斷的（de）增（zēng）加，提高切削加工（gōng）鈦合金材（cái）料的生產效率愈來愈具有重要的意義。

      鈦合金是很難切削的材料

      然而，鈦合金材料的這些優點卻成為其（qí）在切削加工時的（de）難點。鈦合金材料之所以難（nán）以切削，一個主要原因之一是它很差的熱導率和較高的比熱容（róng）。這阻礙（ài）了通過切屑和（hé）工件把切削熱從切削（xuē）區傳送出去。而（ér）大部分的熱（約75%）傳給（gěi）了切削刀刃。很高的溫度促使在刀刃表麵上發生擴散和粘結，形成積屑瘤，並同時（shí）由於鈦合金材料的高強度，在切削（xuē）時產生較大的（de）切削力。因此（cǐ），在加工過程中使刀具承受著（zhe）很高的熱負載和機械負載。其次，鈦合金的彈性模量低，在切削力作用下構件會產生（shēng）變形，後又發生回彈，從而影響到構件的加工精度。

  
      從這裏可以看出，切削（xuē）鈦合金所存在（zài）的主要問題是由於刀具吸收的切削熱太多，以至加快了刀具（jù）的磨損（sǔn），迫使采用較低的切削速度，這顯然會降（jiàng）低加工（gōng）效率和增加單件成本。例如，一個Ti6Al4V材質的渦輪增壓壓縮機葉輪，其製造費用的50%是用於（yú）切削加工的費用。

  
      不難（nán）看出，解決鈦合金材料（liào）的切削（xuē）問題在於采用（yòng）耐高溫的硬質合（hé）金刀具和對切削過程中的刀具進行（háng）有效冷卻。為提高鈦合金材料的切（qiē）削效率和加工可靠（kào）性，有不少刀具生產廠家和高等院校開展了卓有成效的研究試驗工（gōng）作。在德國，特別是諸如Darmstadt工業大學（xué）、亞琛（chēn）工業大學、Braunschweig工業大學（xué）、萊（lái）布尼（ní）茨漢諾（nuò）威大學以及Dortmund工業大學等院（yuàn）校在鈦合金切削機理（lǐ）、有限（xiàn）元模（mó）型（xíng）分析、仿真、刀具幾何角度、切削（xuē）試（shì）驗和采用不同冷卻方式等方麵開展了一係列研（yán）究，其中亞琛工業大學的機床實驗室（WZL）還與伊斯卡（Iscar），肯納金屬（Kennmetal），山高刀具（Seco Tools）和山特維克（Sandvik）等刀具廠密切合作開展了（le）包括高壓冷卻等技（jì）術的研究，而萊（lái）布尼茨漢諾威大（dà）學的生產技術和（hé）機床研究所（IFW）由空中客車德國（guó）公司、肯納金屬、Paul Horn和Lehmann精密刀具等公司進行（háng）資助，開展了“通過刀（dāo）具開發，提高鈦材料銑（xǐ）削加工的材料切除率”項目的研究（jiū）工作。

圖1 在加工鈦合金時，采用液氮進行冷卻可（kě）明顯減少刀具的磨損

圖2 采（cǎi）用CO2冷卻的車削加工

圖3 外（wài）冷卻

圖4 高壓內冷卻

圖5　采用2MPa壓力的（de）冷卻潤滑液進行外部（bù）冷卻

圖 6　采用8MPa高壓冷卻潤滑液進行內部冷卻

圖7　采用30MPa高壓冷卻潤滑液進行內部冷卻。

      高壓冷卻是（shì）一種有效解（jiě）決辦法

      研究表明，對刀具（jù）進行冷卻是解決鈦合金切削（xuē）難題的一種有效辦法。目前，高（gāo）效冷卻刀具的技術開發，主要有二種發展途徑。一種是采用高壓冷卻潤滑，另一種是采用冷氣進行冷卻，即采用（yòng）液態氮（-196℃）或液態二氧化碳（tàn）（CO2）（-65℃）進行冷卻，尤其是液氮，這對（duì）於（yú）冷卻銑刀（dāo）是一種很有應用（yòng）前景的冷卻方式（圖1）。應指出，采用氮冷卻（què）或二氧化碳冷卻進行輔助的切削（xuē）是一種幹式加工，這種幹式冷卻不僅能冷卻刀（dāo）具、有助快速斷屑和（hé）延（yán）長刀具壽命外，仍具（jù）有幹切削加工所具有的眾（zhòng）多經濟、技術和（hé）生態（tài）效（xiào）益（yì）。如圖2。

  
      在目前，考（kǎo）慮到高壓冷卻的良好冷卻效果，以及現有加工中心和車削中心又都配有冷卻潤滑設備，還有許多刀具（jù）廠家又都能提供用於這種高壓冷卻的刀具，並積累了許多實際使用經驗（無論是車削還是（shì）銑削），因此，采（cǎi）用（yòng）通過主軸的高壓冷（lěng）卻潤滑（huá）液無疑是成為一種首選（xuǎn）。

  
      采用常規的大（dà）流量冷卻，冷卻潤滑液到達不了切削刀刃和切屑之間的切削區（圖3），不能有（yǒu）效地冷卻（què）切削刀刃。 為實現有效冷卻刀具，冷卻潤滑（huá）液（yè）的供給應以較高的壓力和足夠的流量，精確地對準切削刀刃和切（qiē）屑之（zhī）間的接觸區（圖4）。在（zài）這個接觸區形成一個高能量衝擊楔，由此縮短切屑（xiè）和刀刃之間的接觸時間，降低（dī）切削區溫度，同（tóng）時使切屑變脆（cuì），通過冷卻和機械衝擊（jī）力這兩（liǎng）個效應的疊加，很快使切（qiē）屑折斷並可靠排出，從（cóng）而大大提高了加工的可靠性，由（yóu）此也有利於實現切削過程的自動化。

  
      高壓冷卻有助於提高（gāo）生產效率

  
      實踐表（biǎo）明，通過高壓（yā）冷卻可提高50%的刀具耐用度（dù）。通過調節冷（lěng）卻潤滑液的壓力大小（xiǎo）可（kě）以影響切屑的形（xíng）狀，從而改（gǎi）善斷屑。根據（jù）Iscar公司的資料，可以了解（jiě）到在不同冷卻潤滑液的壓力下切屑成形的情況。在采用2MPa的壓力進（jìn）行大流量外冷卻時，切屑成長條纏繞形的切屑（xiè）（圖5）；當采用8MPa壓力的內冷卻時（shí），切屑在高壓衝擊（jī）下被折斷成小的弧形切（qiē）屑（圖（tú）6）。如（rú）果（guǒ）采用30MPa超高壓進行內冷卻，這時切屑變成了針狀形切屑（圖7）。從（cóng）這三個（gè）實例中不難看出，通過高壓冷卻可以控製切屑的成形（xíng），由（yóu）此提高切削過程的可靠性，並可提高鈦（tài）合金（jīn）加工的（de）切削用量。

  
      在這（zhè）裏應該指出，在冷卻潤滑（huá）液的壓力（lì）低於7MPa時，由於冷卻液在切削刀刃的前麵產生汽化而形（xíng）成汽泡，從而阻礙了熱的傳導。當采用大於7MPa的冷卻液壓力時，可以消除這種汽泡，使冷卻液（yè）直接噴到切削部位。另（lìng）外應指出，采用傳統的礦物油潤滑液，在高（gāo）壓冷（lěng）卻（què）切削時，油中易吸入大量空氣，致使（shǐ）散熱效率變差。為此，德國Fuchs Europe潤滑材料公司開發了一種基於合成脂的具有排氣性能的冷卻潤（rùn）滑液（Ecocool TN2525 HP）可提高冷卻潤滑液（yè）的散熱冷卻效果。

  
      在鈦合金加工時，主要采（cǎi）用機（jī）械夾固（gù）可轉位片的刀具和整（zhěng）體硬質合金刀具。按常規，粗加工時的切削（xuē）速度一般為（wéi）50m/min左右，精加工的切削速度為（200-300）m/min，在采用高壓冷卻後，切削速度可提高20%，此時不會因提高了切削速度而隨之使溫（wēn）度提高。如果采用超高壓冷卻，同時又采用CBN刀具時，切削速度（dù）還可以進一步提高。但是，所（suǒ）用的超高壓冷卻潤滑裝置需（xū）要進行專門的配備（bèi）。因為加工中心，車削中心（xīn）和多功能複合機床所配（pèi）備的冷卻潤滑裝置的壓力一般（bān）隻有（7-10）MPa。

  
      從（cóng）這個不同冷卻（què）方式的加工效果比較中可以看（kàn）出，高壓冷卻為提高切（qiē）削參數提供了條件。采用（yòng）高的切削參數可以顯著提高生產效率，大（dà）幅度降低單（dān）件費用。雖然（rán）通過高壓冷卻刀具耐用度可提高50%，但是，由於刀（dāo）具費用一（yī）般隻占製造費用的3%，因此這隻能使（shǐ）單（dān）件費用（yòng）減少1.5%。

  
      采用高壓冷卻，要注意準確的協調壓力、流（liú）量和噴嘴孔（kǒng）徑之間的關係（xì）。根據Sandvik公司的資（zī）料，例如，在刀具上使（shǐ）用1mm孔徑的噴嘴，為保持壓力，需要有5l/min的冷卻（què）潤滑液流量。因此，噴嘴孔徑大小應選擇（zé）使其（qí）產生最高的壓力和可以最佳地利用冷卻潤滑液的流量。

  
      對於銑削加工，在采用多個刀片的情況，相應有多個數量的（de）噴嘴，這時需要較大的冷卻潤滑液流量，如（rú）果潤（rùn）滑係統流量不足，會對噴嘴出口壓力產生影響。此時，可考慮采用噴口（kǒu）直徑小的噴嘴，以此減少流量並保持冷卻（què）潤滑液的噴射壓力。

        
      采用合適的（de）刀具和機（jī）床

        
      在飛機工業，大多數鈦合金構件從毛坯加工至成品要切除大（dà）量的材料（liào）。構件成品的壁很簿，形狀（zhuàng）又很複雜，常遇到（dào）的工序是銑削深槽。因此，提高（gāo）銑削加工的材料切除（chú）率具有特別重（chóng）要的意義。而提高材料切除率的限製因素是刀具的磨損，萊布尼（ní）茨（cí）漢諾威大學的生（shēng）產技術和機床研究所（suǒ）（IFW）的研究（jiū）表（biǎo）明，在銑削鈦（tài）合（hé）金（TiAl6V4）構件時，采（cǎi）用較小的後角（α=6°）和相對較大的前角（γ=14°）進行（háng）組合可減（jiǎn）小刀（dāo）具磨損。

  
      由於鈦材料低的彈性模量，銑削時易產生振動。針對這種情況，在刀具設計（jì）上擬采用不等分齒的銑刀，以及（jí）采用後角為零（líng）的狹窄（zhǎi）製動刃（rèn）帶。為改善排（pái）屑，對刀具前麵進行拋光處理。

  
      提高材料（liào）切除率，往往要采用較高的背吃刀量和側吃刀量，因此，在加（jiā）工時會產（chǎn）生較大的切削負荷。由於鈦的彈性模量較低，易引起振動。基於這些原因，機床應具有很高的剛性、很好的阻尼性（xìng）能和較高的主軸轉矩（jǔ）以及大功率的進給驅動裝置（zhì）。對於端麵銑（xǐ）削和（hé）園周銑削槽腔或槽，可（kě）靠（kào）的排屑特別重要，為此，機床應采用臥（wò）式的主軸配置。

  
      目前，諸如DST公司的Ecoforce 2035 及2060加工中心、Hermle公司的C 60U 5軸加工中心和牧（mù）野（yě）公司的Makino T4均（jun1）可（kě）用（yòng）於鈦合金構件的加工。其中Makino T4是專門為加工鈦合金而設計的，該機床除了（le）具有很高的剛性、特別穩（wěn）定的機床結構、臥式的主軸配置以及大功率（lǜ）主軸和高效的冷卻係統外，機床還具有主動的阻（zǔ）尼係統，通過這種創新的阻尼係統可抑製特別（bié）在粗加（jiā）工（gōng）時產生的振動（dòng）。該係統通過摩擦力與切削力成（chéng）比例地作用於導軌，以達到摩擦力對切削力平衡作用。從而使Makino T4能夠實現（xiàn）較深的切削深度，達到較（jiào）高的材料（liào）切除（chú）率（在粗加工時：約500 cm3/min）和減小（xiǎo）刀（dāo）具磨損。

  
      結語

  
      高壓冷卻技術的眾多優點在於延長刀具壽命、控製切屑成形、提高切削速度和提（tí）高工件表麵質量，並由（yóu）此提高生（shēng）產效（xiào）率。

  
      目前，高（gāo）壓冷卻技術已是一項成熟技術，在（zài）實際使用時，冷卻潤滑液較高的壓力、足（zú）夠的流量和（hé）形成精確對準切削刀刃和切屑之間接觸區的（de）高能量（liàng）射流，這對於切削刀具進行有（yǒu）效冷卻和實施切屑的（de）有效控製是一個（gè）基本條件。為獲得鈦合金構件加工的最佳成果，要把（bǎ）高壓冷卻和刀具材料、塗層、幾何角度以及切削用量等（děng）要素的合理選用和設計結合起來。

  
      因此，選用適合鈦合（hé）金加工的刀具以及具有高剛性、高阻尼性能（néng）和大進給力的機（jī）床是實現鈦合金構件經濟（jì）切削（xuē）的另（lìng）一個重要條件。