TC4钛合金薄壁结构高速切削加工工艺优化研究(2)
1.1 选题的背景及意义
目前，钛合金在多个领域得到了广泛的应用，特别是在航空航天、汽车、电子电器等领域。钛合金有许多优异的性质，比如优良的耐腐蚀性、较小的密度、较高的比强度、较好的韧性和焊接性等。但是，钛合金的导热性系数较低，高温时化学活性高，弹性模量也较小，所以它是一种典型的难加工材料。在加工过程中容易产生较高的切削温度，使得表面质量难以控制，刀具磨损严重。许多情况下，钛合金通常要制成薄壁整体结构件来减轻重量。这种薄壁结构十分复杂，刚性较差，材料的切除率很高，在加工中极易产生变形，这就更加难以满足表面质量要求和加工精度[1]。
钛合金薄壁结构加工的复杂性和难度已经得到公认，但是由于钛合金材料对国防、航空、汽车、电子电器等领域的重要作用，掌握这种加工技术是具有战略意义的，所以西方发达国家对其十分重视，并且对取得的研究成果保密。对钛合金高速加工进行研究和加工优化很有必要，这有利于提高我国的综合实力，对我国发展成为制造强国的意义重大。
1.2 高速切削加工
由于钛合金材料的特殊性能，常规切削加工很难达到要求。而高速切削由于其出众的优点，能很好地完成任务[2]。
在机械加工方面，提高生产率一直是机械制造领域十分关注并为之不懈奋斗的主要目标。高速加工不但成倍提高了机床的生产效率，而且进一步改善了零件的加工精度和表面质量，还能解决常规加工中某些特殊材料难以解决的问题。因此，高速加工这一先进加工技术也已引起了世界各国工业界和学术界的高度重视，并得到广泛的发展[3]。
1.2.1 高速切削加工的定义
高速切削加工是指采用超硬材料的刃具，通过提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和表面质量的现代加工技术。它不仅能大幅度提高单位时间内材料的切除量，而且在切削速度达到一定区域后，切削力下降，工件的温升降低，热变形减小。由于不同的加工工序、不同的工件材料有不同的切削速度范围，因而很难就高速切削的速度范围给定一个确定的数值。对于不同的材料，一般认为灰铸铁的高速切削速度是800~3000m/min、钢件为500~2000m/min、钛合金为100~1000m/min、铝合金为1000~7000m/min。在小直径刀具切削加工中，切削速度很难达到1000m/min以上，所以只要主轴转速高于8000r/min时即为高速切削加工[4]。
1.2.2 高速切削加工的特点
高速切削加工具有许多优势，在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决[5]。
（1）提高生产率。高速切削的主轴转速、进给速度与传统切削加工相比，发生了本质性的飞跃，其金属切除率提高了30%到40%，切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%。还可加工淬硬零件，许多零件一次装夹可完成粗、半精和精加工等全部工序，对复杂型面也能达到零件表面质量要求，进而提高了加工生产率和产品的市场竞争力。
（2）改善加工精度和表面质量。高速机床普遍具备高刚性和高精度等特点，加工时切削深度小，而进给速度较快，切削力低，工件热变形减少，而加工精度很高，表面粗糙度很小。高速切削可获得无铣痕的加工表面，使零件表面质量大大提高。
（3）减少切削产生的热量。因为铣床主轴高速旋转，切削加工是浅切削，同时进给速度很快，刀刃和工件的接触长度和接触时间非常短，减少了刀刃和工件的热传导。高速切削采用干铣或油雾润滑系统，避免了传统加工时在刀具和工件接触处产生大量热的缺点，保证刀具在温度不高的条件下工作，延长了刀具的使用寿命。