杨雄飞
陆装驻哈尔滨地区航空军事代表室 黑龙江 哈尔滨 150060
摘要：钛合金具有比强度高、高温强度高等优点，在航空航天领域得到了广泛的应用，其是航空结构件的主要材料之一。基于此，本文论述了飞机用钛合金结构件高效精密加工技术。
关键词：飞机；钛合金；结构件；高效精密加工技术
钛合金是一种轻质、高强度的结构材料，在航空航天等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景。特别是在现代航空制造领域，钛合金以其良好的机械性能、耐腐蚀性和低密度等优点逐渐取代钢及铝合金，得到越来越广泛的应用。
一、钛合金性能
1、密度小，强度、热强度及比强度高。工业纯钛密度为4.507±0.0059/cm3，钛合金密度一般在4.59/cm3左右，仅为钢的60％，而强度高，热稳定性好，高温强度好。在300℃～500℃温度下，钛合金强度约比铝合金高10倍。
2、熔点高，高温性能佳。熔点高达1668℃，在高温下，钛合金仍能保持有效力学机械性能，耐热性远高于铝合金，其工作温度范围宽，是一种重要的高温结构材料。
3、低温性能佳。在低温下，钛合金强度相比常温不降低，有良好的韧性，因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。
4、耐腐蚀性能优良。钛对氧有极大的亲和力，在含氧环境中能生成坚固的氧化物保护膜，有优异的耐腐蚀性能。钛合金在潮湿大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀抵抗能力强；对碱、氯化物、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。
二、钛合金结构件加工中存在的问题
1、变形难以控制。飞机用钛合金结构件一般结构复杂、壁厚小，材料去除率高达70%～90%。随着材料余量的去除，材料内部应力平衡将被打破，材料去除量越大，加工中的应力变形越大。另外，加工切削力和切削热也是变形的重要来源。若不事先防止或减小结构件应力变形，将对结构件尺寸产生最直接影响，导致结构件铣伤或扭曲变形。飞机钛合金结构件是飞机上经常装配的关键零件，其尺寸最关键，若尺寸不合格将影响整机强度和寿命。
2、加工效率低。当前，飞机钛合金结构件加工普遍采用低速、小进给、大切深方法，进给速率一般为80～100mm/min，最大不超过120mm/min。去除同样体积余量，钛合金结构件加工时间是铝合金结构件的10倍，因此飞机用钛合金结构件的加工效率低，直接制约了结构件的生产进度。
3、难以保证加工精度。飞机钛合金结构件的精度要求高，结构件壁厚尺寸精度和装配定位孔位置尺寸精度会影响结构件使用寿命及装配精度。飞机结构件形状不规则，其中悬臂梁结构立筋加工最为困难。由于缺乏支撑，加工中易颤动，而且加工这类结构件所用刀具长径比一般大，易出现颤刀，造成结构件被切伤。此外，定位孔在结构上的位置精度也较关键，它将直接影响到飞机装配架的装配精度，并决定后续零件能否顺利地装配在部件上。当前，航空制造业一般采用高精度钻模或镗具辅助加工此类孔，但在实际加工中，采用这种加工方法制造的零件一次合格率低，直接导致工装成本高，增加了飞机制造成本。
三、高效精密加工技术的应用
1、钛合金结构件的高效粗加工技术
①小切深、大进给高速铣削技术。对于多型腔、多曲面的复杂结构件，采用小切深、大进给高速铣削技术，能提高粗加工铣削效率，降低结构件应力变形。刀具主偏角将影响其切削厚度、切削力、刀具使用寿命。
在给定进给率下，减小主偏角可减小切削厚度，其薄屑效应使切削刃在较大范围内与工件接触；较小的主偏角能使刀片更平稳地进入切口，有利于减小径向压力，保护刀片片切削刃。小切深、大进给铣削原理是减小刀具主偏角，使刀具在高进给时能保持较小的切屑厚度，从而在高进给时减小切削力，以便在高切削速度下实现大进给量，提高单位时间内金属切削率。特别对复杂多型腔零件，在相同金属去除量下，大进给铣刀切削效率接近普通圆柱立铣刀的6倍。另外，由于这种刀具切削力垂直向上，径向切向力小，有利于应力释放，而且功耗小，所以这种加工方法对机床功率及刚度要求不高。
粗加工时，应尽量保证刀刃连续稳定切削，刀具轨迹应尽量消除尖角，并在转弯处适当加圆角，使加工过程更平稳，一般来说，圆角半径不小于刀具直径的15%。由于这种快进给刀具主偏角通常约10。，小于传统45。主偏角刀具，允许在较高的切削参数下切削，虽然切屑厚度小，但工作台进给高。另外，对轴、径向切削，主要是轴向切削力，采用较低的切削力可减小振动趋势，获得较高的金属去除率，从而提高加工效率。
②大切深、小进给强力切削技术。对结构简单的型腔构件，运用玉米铣刀，大切深、小进给铣削技术的应用更有优势。这种强力切削技术能充分释放构件内应力，减少构件应力变形。玉米铣刀刀体刚度大，主偏角为90°，加工时刀具主要在进给方向产生径向力，被加工面不受高轴向压力影响。玉米铣刀切深可高达80mm，切宽可达其直径的一半，切削效率较高，适合大功率机床加工。加工时冷却系统需喷射高压冷却液，以便及时带走切削中产生的热量，防止烧刀和刀片损坏。另外，高压冷却液能及时将切屑冲出加工部位，防止因排屑不畅造成抱死而损坏刀体。玉米铣刀适用于侧刃铣削和开式加工，加工封闭槽腔时，应事先开一条比刀具直径大一倍以上的下刀槽，并保证刀具在工作中的切削宽度始终小于或等于刀具本身半径，以免因径向吃刀量过大而抱死，并有足够的排屑空间。
③插铣粗加工技术。插铣加工也称z轴切削法，是一种高效的深腔槽加工方法。U钻更适合于简单型腔构件的插铣，特别是构件深槽腔部位。插铣加工时，刀具沿主轴方向做进给运动，底部切削刃用于钻铣组合切削，走刀路径为：先从构件外部下刀，并按顺序依次下刀切削，层间插铣深度需逐步减小。插铣时，刀具几乎只有轴向切削力，因此机床功率及扭矩要求不高。
2、钛合金悬臂梁结构件高效精密加工技术。悬臂梁结构是一种典型的刚性差、加工难度大的结构。由于钛合金独特的物理性能，其悬臂梁结构加工难度大，加工中振颤和让刀现象严重。当结构件悬臂高度与厚度比小于15:1时，可采用“方法1”铣削：先用不重叠走刀加工臂一侧，之后在相对侧重复此操作；当构件悬臂高度与厚度比大于15:1时，可采用“方法2”铣削：两侧交替以非重叠走刀加工至给定深度。方法3是台阶支撑铣削，与“方法2”类似，但在悬臂相对侧走刀重叠，这能在加工部位提供更大支撑。
3、钛合金结构件孔的高效精密加工技术。为保证飞机结构件间的准确连接，飞机钛合金结构件上有多个装配定位孔，且位置精度要求严格，一般为0.1mm。这类结构件的装配定位孔一般采用钻模和镗具等辅助加工，合格率低。这是因结构件加工中需转换多个工位，使结构件上装配定位孔与基准要素间的相对位置误差大，在工装上定位时，结构件上的定位基准与工装上相应的定位基准不能完全吻合。这些结构件可采用数控复合加工技术，在五轴联动加工中心将传统铣、镗、钻、铰等工序合为一次装夹完成，以避免工位间转换造成的误差积累，提高定位孔加工精度。实施中，装夹设计较关键，主要考虑以下因素：①保证大部分加工结构特征暴露在机床加工范围内。由于许多结构件结构复杂，角度变化大，且许多零件结构接近五轴设备摆角加工行程极限，因而调整及准确模拟结构件装夹姿态较重要。②数控复合加工工艺装夹设计方案下结构件加工的力学稳定性。在复合加工装夹条件下，其约束点比传统装夹方式少，同时要保证结构件力学稳定性，避免装夹不稳和剧烈振动。对位置精度高的复杂曲面，应用该技术能提高产品合格率。
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．
[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).