目前，在航空工業(yè)，主要是通過減輕飛機重量來進一步降低燃油的消耗。因為空氣動力學(xué)和驅(qū)動設(shè)計方面的潛力已挖掘得差不多了。通過空中客車集團公司在80年代投放市場的A320系列飛機同A350-XWB系列飛機進行比較，表明了材料使用構(gòu)成的變化有利于飛機重量的減輕（圖1）。進一步開發(fā)復(fù)合材料使得例如空客A350-XWB系列客機和波音787夢幻客機能夠制造輕穎的機身。尤其是以重量輕得多的CFK(碳纖維增強塑料)用來替代鋁合金材料。
圖1.以空中客車為例，下一代飛機材料的使用構(gòu)成
隨著碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的增多，鈦和鈦合金的使用也隨之不斷的增加。應(yīng)用于飛機機身的鈦合金，90%是Ti-6Al-4V合金。在這個行業(yè)里變得越來越常用的鈦合金以其密度（4.43/cm3）對強度的理想比例而著稱。
鋁合金在材料使用構(gòu)成中所占的份額隨著新飛機的每一次開發(fā)而降低。如果可能的話，是由明顯輕得多的碳纖維復(fù)合材料制成的部件來替代鋁合金部件。
在使用碳纖維復(fù)合材料同鋁合金進行連接時，鑒于相互不同的熱膨脹系數(shù)、不同的強度值和電化學(xué)的電位差，應(yīng)考慮接觸部位的腐蝕，因此，對于這樣的連接需要敷設(shè)絕緣層。對于鈦和鈦合金來說，由于其同碳纖維復(fù)合材料在導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能方面的一致性、高的強度和0.2V的電位，從而不會出現(xiàn)上述這樣的問題（圖2）.
圖2.作為材料組合，碳纖維復(fù)合材料（CFK）和鋁合金同碳纖維復(fù)合材料（CFK）和鈦合金的比較
挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的鈦加工
根據(jù)既耗能又過程復(fù)雜的鈦和鈦合金制造，典型的鈦材料加工工藝（鑄造、鍛造和切削加工）為軋制品、園棒料或自由鍛件提供進一步的加工。這些工藝的不同之處有材料的加工溫度、可達到的加工表面質(zhì)量、構(gòu)件的大小和工件毛坯重量對工件成品重量的比率（Buy-to-Fly-Verh?ltnis---原料重量除以構(gòu)件重量）。在鑄造鈦時，例如，根據(jù)設(shè)備在鑄造過程中的狀態(tài)應(yīng)提前采取特別的預(yù)防措施。鈦在熔融狀態(tài)下和氫、氧和氮具有親和力，因此提高了反應(yīng)能力。熔煉和鑄造純鈦和鈦合金，只有在惰性氣體或真空的條件下才能進行，況且約1700℃的高熔點也使鈦的鑄造增加了難度。較低的熱導(dǎo)率使?jié)沧⒋笮蜆?gòu)件變得具有挑戰(zhàn)性。而低的冷卻速度使制造精細、無缺陷的結(jié)構(gòu)增加了困難。因此，可用于進行裝配的鈦材料鑄造構(gòu)件或者是半成品鑄件，在當前生產(chǎn)這樣的構(gòu)件其可能性是有限的。目前，重量達300公斤、邊最長達1.5米的鈦合金構(gòu)件，采用精鑄工藝可按照飛機制造廠家的質(zhì)量要求進行制造。對于生產(chǎn)大型和復(fù)雜的構(gòu)件，精密鑄造盡管具有很好的材料利用率，但仍然是無法替代切削加工。況且，即使是構(gòu)件的輪廓接近成品，通過精細鑄造的鈦材料構(gòu)件必須要進行切削精加工。在鑄造時所產(chǎn)生的反應(yīng)區(qū)旁邊的其他材料必須要切除掉，以便獲得功能表面所要求的品質(zhì)。
為了進行鍛造（另一種鈦加工工藝），利用了較高溫度情況下材料較好的變形性能。但是，即使是變形溫度較高的情況，按照工件材料的性能，只要是中等的變形速度是可以的。此外，在正常大氣壓情況下進行鍛造時，應(yīng)考慮氫脆化和考慮由于材料的氧擴散使邊緣層硬度的提高。接著鍛造工序之后，對工件進行退火以消除應(yīng)力和對工件表面進行認真清洗。接著鍛造之后往往要對鍛件進行進一步的車削或銑削加工。因此，鍛造，也包括鑄造，鈦材料的切削加工是不能被替代的。鈦材料構(gòu)件在切削加工之前的毛坯主要有塊狀坯件、園棒料或板料。
門框，工件毛坯重量對工件成品重量之比率為22，相當于材料切除率達到95%。
1是重量達550kg的鍛件。2是預(yù)加工3是粗加工4是精加工，構(gòu)件重25kg。
最后的工件輪廓是通過切削加工來實現(xiàn)。在切削加工鈦和鈦合金時，挑戰(zhàn)首先是其較低的彈性模量、較高的強度值和較低的熱導(dǎo)率。因此，只能以較大的切削力和在較低的進給量和較低切削速度（與切削鋁合金相比）的情況下對鈦進行切削加工。這就導(dǎo)致特別小的單位時間材料切除量，這與加工鋁合金相比較要小15倍之多。較小的單位時間材料切除量，又加上較工件毛坯量對工件成品重量較高的比率導(dǎo)致了太長的工藝過程時間（圖3）。由于較低的熱導(dǎo)率，因此在切削區(qū)和切削刀刃上產(chǎn)生的溫度高達850℃（圖4）。
圖4.加工鈦合金時，在切削刀刃上的熱積聚，和Ti-6AL-4V及其他材料的性能
這個性能特點，促進了刀具材料的擴散過程（如擴散磨損—譯注）和粘結(jié)，使刀具產(chǎn)生較大的磨損，也使鈦材料加工費用高昂。而在切削鋁合金時，75%的過程熱是通過切屑帶走的，在切削鈦合金時，不能產(chǎn)生本身的溫度調(diào)控。在這里，只有25%的過程熱由切屑排出。為了避免目前所采用的涂層硬質(zhì)合金刀具材料在切削刀刃上產(chǎn)生過熱，冷卻調(diào)控就成為中心任務(wù)。采用水基乳化液對切削進行冷卻和潤滑。冷卻液以較高的流量和較高的壓力通過刀具內(nèi)部的冷卻通道直接噴射到切削刀刃上。
Darmstadt工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程與機床研究所（PTW）所進行的研究表明，純粹的酯-油是水基乳化液很好的替代品。純粹的酯-油雖然冷卻能力較低，但是，對切削刀刃的潤滑效果相當?shù)暮茫纱嗽谇邢鬟^程中可避免臨界溫度。此外，使用酯油還使刀具提高了耐用度和允許采用為了能提高單位時間材料切除量這樣的較高工藝參數(shù)。在設(shè)計切削鈦合金用的機床時，必須要考慮合適的高壓容積泵。
此外，由于較大的切削力，對主軸有特殊的要求，因為主軸必須隨時可調(diào)用高的轉(zhuǎn)矩，這為完善機床應(yīng)具有高的剛度的同時還要有很好的阻尼性能，以便可以抑制有害的切削振動。例如洛克希得·馬丁公司（LockheedMartinCorporation）在銑削鈦材料時其工件毛坯重量對工件成品重量的比率為11。這就意味著，構(gòu)件的毛坯其90%多的材料在切削時要被切除掉。如果1公斤的Ti-6AL-4V鈦合金的價格約為45歐元，表明了對實現(xiàn)成本較低的加工過程方面還有著巨大潛力。
鈦合金加工的新途徑
成本是優(yōu)化鈦加工的推動力，主要在于按傳統(tǒng)加工時刀具較低的刀具壽命、切削加工時單位時間較低的材料切除量和表面質(zhì)量以及在鑄造和鍛造過程中較難確定的工藝參數(shù)。采用具有成本效益的工藝來替代傳統(tǒng)加工工藝，這些工藝可以是借助于使用激光或者是電磁感應(yīng)以及鈦合金構(gòu)件的堆積成型生產(chǎn)工藝。激光輔助和電磁感應(yīng)輔助的銑削加工可以歸入熱切削或高溫切削概念的范疇，是屬于混合加工工藝的范圍（圖5）。兩種混合加工工藝通過將熱能導(dǎo)入靠近切削區(qū)的范圍對工件進行局部加熱，而使材料性能產(chǎn)生有益的變化。由于溫度的提高，Ti-6AL-4V鈦合金的強度、彈性模量和應(yīng)變硬化傾向下降，當材料溫度達到500℃時下降的數(shù)值達50%。
圖5.利用激光束和電磁感應(yīng)輔助的鈦合金混合加工
對于切削過程來說，這意味著，獲得一個同樣的單位時間的材料切除量，必須要產(chǎn)生較小的切削力。而且，可以采用較高的工藝參數(shù)。可實現(xiàn)比常規(guī)切削高3倍的單位時間材料切除量。同樣地，采用激光輔助的切削工藝可以實現(xiàn)較高的進給速度，并由此獲得單位時間較高的材料切除量和較長的刀具壽命。在粗加工時，費用可節(jié)省80%，切削力下降40%，刀具壽命可以明顯得到提高。
對于借助激光進行熱切削時，其面臨的挑戰(zhàn)是除了要調(diào)節(jié)激光焦距和功率外，還存在著激光束在工件表面上的反射和通過熱傳導(dǎo)對工件周圍區(qū)域較難可控的加熱。電磁感應(yīng)輔助切削與激光輔助變型方案的不同之處在于獲得熱能的方式。在激光輔助銑削時，熱能只能達到工件的表面。加熱位于工件材料表面下的范圍只可以依靠熱傳導(dǎo)來達到，這使銑削加工在軸向限制在約1mm的深度。由Darmstadt工業(yè)大學(xué)工程與機床研究所（PTW）所密切關(guān)注的電磁感應(yīng)輔助切削工藝方案，同激光輔助切削不同，其通過感應(yīng)器頻率的變化，可以改變熱滲透的深度。降低交流電壓的頻率，意味著提高了熱滲透深度。對于一個60kW的電磁感應(yīng)裝置，通過采用16kHz的頻率，熱的滲透深度可以達到15mm。這個加熱的容積約可達到500℃的溫度，然后就可直接進行切削。采用這種工藝，恰恰在粗加工時可以顯著地提高單位時間材料的切除量。
譯者評述：開發(fā)創(chuàng)新工藝，提高鈦合金的切削效率
作者：大連組合機床研究所李如松
鈦合金具有良好的強度/密度比和較高的耐腐蝕性，因而，備受航空業(yè)者的青睞。隨著碳纖維復(fù)合材料在現(xiàn)代飛機上的大量采用，也就促使鈦合金應(yīng)用的大幅度增加。然而，由于鈦合金原料價格較高（目前，至少比鋁合金貴25倍），又難于加工，單位時間的材料切除量很低，加工費用和刀具費用很高，由此大大地增加了鈦構(gòu)件的成本，例如，一個Ti6AL4V材質(zhì)的渦輪增壓壓縮機葉輪其切削加工費用就占到單件成本的50%。降低鈦合金構(gòu)件的成本已成為加工業(yè)領(lǐng)域里人們關(guān)注的重點。
在1996-2000年的這11年間，鋁合金的單位時間材料切除量提高了3倍，2000年達到7000cm3/min。目前差不多達到了12000cm3/min。然而，在這期間鈦合金的單位時間材料切除量卻停留在約50cm3/min很低的水平上，前些年，通過高壓冷卻也只達到450cm3/min這樣的水平。如在“飛機制造業(yè)中鈦合金材料的應(yīng)用”一文中，圖3所示A350空中客車鈦合金結(jié)構(gòu)件的例子，要從550kg重的鍛件加工到僅僅25kg的成品，其材料切除率高達95,4%，其加工時間之長是可想而知了。
鈦合金之所以難于切削主要是鈦合金很高的強度和特別差的熱導(dǎo)率。切削時會產(chǎn)生較大的切削力，大部分的切削熱（約75%）傳給了切削刀刃，使刀具承受很高的機械負載和熱負載，刀具由此產(chǎn)生劇烈磨損。加工時只得采用較低的切削速度和進給速度，降低了加工效率;其次是很高的切削熱致使切削刀刃與鈦合金材料發(fā)生粘結(jié)，形成積屑瘤，影響加工質(zhì)量;另外是，鈦合金比較低的彈性模量，在切削力作用下構(gòu)件會產(chǎn)生變形，后又發(fā)生回彈，引起震動。從而影響到構(gòu)件的加工精度和加工的正常進行。這樣，就給傳統(tǒng)切削造成極大的困難，帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。
針對鈦合金難加工的其體情況和結(jié)合大流量潤滑的經(jīng)驗，在80年代，人們開發(fā)了高壓冷卻潤滑技術(shù)，在目前，該技術(shù)還仍然是鈦合金加工所采用的主要輔助技術(shù)。高壓冷卻潤滑技術(shù)是通過很高的冷卻潤滑液壓力、足夠的流量和形成精確對準切削刀刃和切屑之間接觸區(qū)的高能量射流，以對切削刀刃進行有效冷卻并有效控制斷屑。并與刀具材料、幾何角度和涂層以及刀夾、機床和潤滑液等系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)化相結(jié)合，由此提高了刀具耐用度（約50%），改善加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。然而，高壓冷卻潤滑在極短的時間里很難阻止熱引起的刀具磨損。為進一步提高鈦合金的切削效率和減少刀具磨損，開發(fā)新的高效加工工藝是切削技術(shù)領(lǐng)域的一個重要任務(wù)。
在這樣的背景下，開發(fā)鈦合金的高效加工技術(shù)就成為工業(yè)大學(xué)、科研單位、刀具和機床等行業(yè)的重要研究課題。近年來，亞琛工業(yè)大學(xué)的機床試驗室則對不同的低溫輔助切削開展了研究，采用液態(tài)氮（-1960C）和液態(tài)二氧化碳（-820C）進行輔助切削，極低溫度的液態(tài)氮噴向切削區(qū)，有效降低了刀具的溫度，并使切屑脆化。這不僅減少了由熱負載引起的磨損，而且也有利于斷屑。因此可允許采用更高的切削參數(shù)，提高了切削效率。
在“飛機制造業(yè)中鈦合金材料的應(yīng)用”這篇譯文中，介紹了Darmstadt工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)工程與機床研究所（PTW）在這方面所進行的研究工作，文中介紹了激光和電磁感應(yīng)輔助熱切削兩種混合加工工藝的特點。其中的激光輔助切削工藝則是由慕尼黑工業(yè)大學(xué)的機床和企業(yè)管理研究所與Pokolm銑削技術(shù)公司領(lǐng)導(dǎo)下的臨時性企業(yè)聯(lián)合組織合作開展的，一項由德國教育和研究部資助的鈦合金激光輔助銑削混合加工工藝的研究項目，這兩種工藝是通過給工件切削區(qū)附近進行局部加熱，促使工件材料產(chǎn)生軟化，然后工件在軟化狀態(tài)下進行切削，由此降低切削力和減少了刀具的機械負載和熱負載，從而達到提高刀具的使用壽命和切削效率的目的。在這兩種混合加工工藝中，電磁感應(yīng)輔助同激光輔助切削不同，通過其感應(yīng)器頻率的變化，可以改變熱滲透的深度，并且可使加熱深度達到15mm.這樣的加熱深度，恰恰在粗加工時可以有助于顯著提高單位時間材料的切除量。
在目前，不論是加熱輔助還是低溫輔助的切削方法，還是處在切削輔助過程的試驗研究階段，今后還需為這種工藝方法開發(fā)必要的系統(tǒng)技術(shù)。而高壓冷卻已是一種成熟的技術(shù)。為了能采用高的切削速度和進給速度，進一步提高鈦加工的生產(chǎn)率，則通過高壓大流量冷卻潤滑液（如極高的壓力，達35Mpa，流量達65L/min），結(jié)合刀具材料、刀具幾何角度和涂層以及機床和刀夾等相關(guān)技術(shù)的進一步優(yōu)化還是具有重要的意義。
然而，為了進一步提高切削參數(shù)，提高單位時間材料切除量，仍需要通過創(chuàng)新的切削工藝，才能提高鈦合金的加工效率。沒有現(xiàn)代的鈦合金切削技術(shù)，就沒有現(xiàn)代的飛機制造。