1.钛合金航空构件技术特征

1.1钛合金的加工性能

钛是世界上最丰富的金属之一，在金属材料中排名第三。与其它金属材料对比，具备物理性能好、耐蚀性高、占比小的特征。但在具体加工中，钛合金加工特性差，主要表现在以下几方面：

（1)切削力极强。钛合金强度大，切削力是高碳钢的两倍。因为切削力非常大，刀具铣削的时候会造成大量切削热。

（2)传热系数低。钛合金的热扩散系数为铁1/4、铝的1/16。切削热都集中在切削地区，切削工作温度达到700度。

（3)前面刀尖应力相对较大。钛合金可塑性低，机械设备加工切屑很容易弯折。切屑与前刀面的接触短，为45#钢的1/2~2/3。因而，切削位置的每单位面积压力增大，刀尖应力也会集中。

（4)滑动摩擦力大。钛合金材料和刀具原材料间摩擦阻力非常大；而钛合金弹性小、强度高，加重了材料与前刀面间的磨擦；

（5)化学活泼性高。切削温度高时，钛非常容易与空气中氢、氧、氮等气体反应，在表面产生硬质层，加快刀具的损坏。与此同时，钛非常容易与刀具原材料反应，造成刀具原材料的蔓延，刀具变形。

1.2钛合金航空结构件的工艺特征

钛合金主要运用于隔热保温罩、发动机尾喷管、机翼起落架连接部位等高温、高强度、低比重的部位。伴随着现代飞机隐蔽性、寿命长和结构轻的技术性能的发展，钛合金航空结构件在飞机设计中得到了广泛应用。航空结构件是飞机的关键承重件，零件结构涉及到机翼结构件、翼身融合区域等多个部位，构造繁琐，加工难度高。原材料去除率在50%之上，一部分乃至达到90%。厚壁槽腔特点占80%，为最典型的弱刚度构造，加工情况极不稳定。零件组装面和交叉孔数量多，规定生产制造精度高。因而，钛合金航空构件切削特性差，加工效率非常低。

1.3钛合金航空结构件的加工现状

目前在钛合金航空结构件数控加工中，传统式加工选用低速档大扭矩加工中心、合金钢或硬质合金铣刀。金属材料去除率一般为30~60cm3/min，较快时为200cm3/min左右。铝镁合金加工目前普遍选用高速加工工艺方案，金属材料去除率一般可达500~2000cm3/min，最大可达6000 cm3/min。因而，钛合金的加工效率远远小于铝镁合金，仅是铝镁合金的1/20~1/10。伴随着钛合金在飞机零部件里的广泛运用，钛合金航空结构件的高效率加工将成为新一代飞机的研发和生产制造的关键技术。

2.钛合金高效加工设备

2.1钛合金高效加工专用工具

刀具技术是数控加工的关键技术之一，是限制难加工料加工效率的技术短板。伴随着刀具技术的发展、刀具材料和构造的不断完善，刀具类型也越来越多了。选择合适的刀具和切削参数是提高数控机床加工效率的关键。 因为钛合金加工能力差，传统式加工方法的切削速率通常是在60立方厘米/min以下。为使钛合金粗加工效率变高，钛合金粗加工通常采用大切削、低转速的方法，以获得最大的金属材料去除率。用PVD镀层硬质合金刀具进行小切宽、大切深配合高速铣削会获得相对较高的切削效率。因而，钛金属加工刀具主要在避免强力切削后颤振、减少切削力和切削工作温度等方面进行改善。实际措施有以下三方面：

（1)广泛应用超强力切削刀具。超强力刀具刚度高，刀体联接坚固，可以合理避免切削时可能发生的颤振。关键刀具类型为玉米铣刀，用以切槽和侧铣。

（2)广泛应用髙压内冷专用工具。刀具的内部冷冻液以髙压喷涌到切削地区，立即降低切削前端的温度，降低切削刃温度和刀具的损坏。应用这种刀具可以获得高切削速度与高加工效率；刀具使用寿命、刀具成本和加工停止时间的降低；实际效果也会大大提升零件的加工品质。

（3)广泛应用超密刀具，即硬质合金刀具的10个以上切削刃的刀具，是高效率生产加工钛合金的新技术。该刀具切削总齿数多，通过降低每齿切削量来降低金属消耗率，其原理与快速生产设备类似。

3.钛合金航空结构件的高效加工技术

3.1钛合金切削表层加工

切削钛合金零件表层时，应选用切削深层小、切削速度大一点的切削方式，以获得高效率加工。切削基本原理是由减少刀具的主偏角，即通过刀具快速走刀，保持比较薄的切削厚度，减少快速走刀后的切削力，完成低切削速率中的大走刀，降低切削中的金属材料去除率。在同样的切削薄厚下，大进给量铣刀的进给速度一般接近圆柱体合金铣刀的6倍，金属材料去除率变小。与此同时，由于该刀具切削力竖直往上，切向力小，功能损耗小，因此获得了广泛应用。

3.2圆角加工技术

为了减轻飞机的重量，飞机结构处的内圆角一般比较小，要用小直径铣刀进行加工。因为圆角处钻削量的剧变，切削力会有较大的转变。切削力大幅度变化时，刀具很容易产生震动，刃口破损，加工效率降低。传统圆角加工对策是由优化路轨来避免圆角加工的震动，但存有路轨太多、效率相对较低的缺陷。插铣加工是解决转角加工效率难题的绝佳方式。因为合金插铣刀的走刀方向是沿着刀轴方向的，其切削力大多数是沿刀具方向的，因此合金插铣刀的震动比一般立铣刀要小，插铣转角的余量除去效率高。应用直径不同插铣刀切削角时，能够去除绝大多数角余量，加工效率大幅度上升。

  结束语：钛合金航空结构件的高效数控加工是阻碍现阶段航空制造业发展的难题之一。已有的数控加工技术、刀具和技术规范等无法满足钛合金航空结构件的加工需求，我国应重点研究此领域，在此领域攻坚克难，社会各界也应共同努力，为国家航空事业贡献出自己的一份力量。

参考文献：

[1]朱华.金属切削实用技术[M].北京:机械工业出版社，2015（05）：22-25．

[2]韩世波.飞机用钛合金结构件高效精密加工技术[J].钛工业进展，2015(03)：54-58.

[3]陈小明．航空大型数控机床的设计特点[J]．航空制造技术，2017(6)：53-62．

[4]王世鹏，解艳彩．柔性制造单元上下料机构的改进设计[J]．组合机床与自动化加工技术．2013(6)：80．