伊斯卡航空航天钛合金加工解决方案

2015-02-20伊斯卡公司供稿

金属加工(冷加工) 2015年16期

■伊斯卡公司供稿

伊斯卡航空航天钛合金加工解决方案

■伊斯卡公司供稿

1. 钛合金零件大余量铣削

在许多航空航天应用中，钛及钛合金正在取代传统的铝合金。如今，航空航天业消耗的钛材料约占全球生产总量的42%，最近几年，预计对钛材料的需求仍将继续以两位数的速度增长。新一代飞机需要充分利用钛合金的性能，无论是商用机还是军用机市场，都正在推动对钛合金的需求。波音787、空客A380、F-22猛禽战斗机和F-35联合攻击战斗机等新机型都采用了大量钛合金材料。

（1）钛合金材料的优势钛合金具有高强度、高断裂韧性以及良好的抗腐蚀性和可焊接性。随着飞机机身越来越多地采用复合材料结构，钛基材料用于机身的比例也将日益增大，因为钛与复合材料的结合性能远远优于铝合金。例如：与铝合金相比，钛合金可使机身结构的寿命提高60%。钛合金极高的强度/密度比达20:1（即重量可减轻20%），为减轻大型构件的重量提供了解决方案。此外，钛合金固有的高耐蚀性可以节省飞机日常运行和维护保养的成本。

传统的钛合金材料已经不能适应航空工业更高的发展要求，国内外不断地研制出各种强度更高、各方面性能更优秀的钛合金，比如TI5553、TC18和TC40等，这些钛合金很好地促进了航空工业快速发展的需求。

（2）需要更大加工能力由于比普通合金钢的加工更为困难，因此通常认为钛合金属于难加工材料。典型钛合金的金属去除率仅为大多数普通钢或不锈钢的25%左右，因此加工一个钛合金工件需要花费的时间约为加工钢件的4倍。随着各种难加工钛合金材料在航空工业中的普遍使用，按照现有加工水平，零件的加工制造周期进一步延长，完全不能满足现在航空工业的新机型推出日新月异的要求。为了满足航空制造业对钛合金加工日益增长的需求，制造商需要增加生产能力，因此需要更好地理解钛合金加工策略的有效性。典型的钛合金工件的加工是从锻造开始的，直到约80%的材料被去除而获得最终的工件外形。

2. 起落架加工实例

以典型的钛合金零件某飞机起落架为例（见图1）来说明加工刀具的改进对加工效率的提高和降低加工成本的有效性。起落架零件材料为某新型钛合金，加工难度非常大，传统刀具加工一件零件大概需要1个月左右，而且由于零件难加工，导致刀具磨损非常快，刀具一个切削刃仅能加工不到1h左右，导致加工此类零件的刀具消耗非常大，刀具成本居高不下。在这种状况下，急于寻求一种既能大幅度提高加工效率又能降低加工成本或者不提高加工成本的刀具。

图1　起落架铣削加工

针对加工的现实需求，伊斯卡提出了大进给铣刀解决方案。FTP铣刀是伊斯卡公司在HTP插齿刀基础上开发出来的一种新型刀具，可同时满足插铣和大进给铣削两种铣削方式的要求，而且切削轻快。针对航空难加工材料零件的加工，伊斯卡开发了ER槽形及更适合加工钛合金等难加工材料的IC830硬质合金涂层牌号。采用直径63mm的FTP大进给铣刀，共6个有效齿，每个刀片4个切削刃。刀具可以实现平面铣和坡走铣，具有在铣削余量不大于1.8mm的情况下实现快速走刀，最大每齿走刀可达到1.5～2mm左右。采用的刀具型号：刀体为FTP D063-6-27-R-LN10；刀片为FTP LNHT 1006 ER IC830，刀具如图2所示。

图2　FTP铣刀示意图

（1）FTP铣刀具有以下特点：

一是定位方式更加可靠由于刀片正反面均带切削刃，刀片进行了加厚处理，定位面被分成了几个小平面，位于刀片侧面并与前刀面形成燕尾槽结构，使得刀片装入刀体时更加地牢固，增加了刀具刚性，可以承受更大的切削力，实现更大的进给，同时减小切削振动对刀具寿命的影响。

二是刀片经济性更好相比于传统的带2个切削刃的APKT刀片，FTP铣刀片每刀片带4个大进给切削刃更经济；刀片及切削刃槽形的特殊设计，大幅提高了刀片定位强度及刀片自身强度；切削过程更平稳，切削力更小，刀具在实际切削过程中产生的切削热更少，大幅提高了刀具切削刃的正常使用寿命，每切削刃的使用寿命可提高3倍左右，从而有效降低了刀具的成本。

新型难加工钛合金加工对比如附表所示。

新型难加工钛合金加工对比表

三是通过使用此刀具，零件加工效率比最初提高了4倍多，而且切削过程平稳，刀具使用成本大幅度降低。

3. 航空发动机盘轴类零件解决方案

在航空发动机的制造中，盘环件及轴类零件均是关键件或重要件。此类旋转零件，在发动机正常运行时处于相对恶劣的运转环境，对保障发动机正常运转甚至飞机正常飞行起到了至关重要的作用。因此，必须保障此类零件具有高的可靠性，高的安全性，同时还要尽量减轻零件的

重量。基于以上需求，首先从选材上就要求盘轴类零件具有耐高温，耐腐蚀，比重轻等特点，目前主要采用各类高温合金及钛合金。加工难点在于，一方面被加工材料的机械加工难度非常大；另一方面，此类零件具有型面复杂、薄壁、易变形等典型特点。

针对航空类难加工复杂盘轴类零件的加工，伊斯卡公司大量标准的ISO车刀及各类切槽刀基本可以满足各种类型的零件加工。伊斯卡公司提供全套加工解决方案，包括采用标准刀具及各种针对性非常强的非标刀具，以满足各种特殊需求。

下面是伊斯卡公司做的一个航空发动机盘类零件的加工方案，如图3所示。

针对航空类复杂且难加工的盘轴类零件，伊斯卡公可以根据用户零件及特殊要求，在大量的标准刀具基础上开发出满足用户特定要求的方案。同时，在做方案过程中，会不断地将伊斯卡的新产品引进到整体方案中，例如针对高压冷却刀具、难加工材料加工最新研制出的硬质合金涂层刀具等，以满足用户对产品质量的更高要求，不断地为用户降低加工成本，提高加工效率。