迎接钛金属加工的挑战

航空航天工业机械加工车间面临的挑战是：高效和有效地生产钛零件。机床制造商面临的挑战是如何帮助这样的车间迎接这一挑战。对于一个车间来说，加工钛有两个难点。第一，用这种材料制造高质量的零件非常困难；其次，要做到这一点，并在这方面获取暴利是非常困难的。因此，钛金属加工在技术上和经济上都是一个巨大的挑战。为了成功地加工这种材料，加工车间必须能够达到高效率、高效益的生产水平。而且生产技术和生产成本的问题必须一起解决。一些加工钛材的公司可能不太在乎成本。例如，有一家原始设备制造商可能会将关键钛部件的成本转嫁给消费者。但是航天工业的典型车间没有这样的奢望。赢得订单和保持合同的唯一方法是严格执行能达到高效加工目的并有适当利润空间的技术标准。没有一家公司会根据自己的爱好加工钛材(图1)。1图中所示的钛零件是典型的飞机零件。它们的特点是有许多底薄壁薄的蜂窝。薄壁上通常有阶梯状侧面和波状外形。从实心毛坯切割时，这些零件需要大量的粗加工，目标是以最高的效率切割材料。接着进行精加工操作。然而，被加工的表面必须是光滑的，并且必须保持尺寸精度。提供这项技术是供应商为钛金属加工车间提供的服务之一。许多机床制造商、刀具制造商和相关企业都集中力量开发这一市场上的关键产品。机床制造商之一是牧野机床公司。最近，该公司在其美国总部举办了“钛金属加工日”展览，以促进钛金属加工业的发展并展示其产品。在这次展会上，公司介绍了一种钛金属材料的综合加工方法，自认为很全面。它将一系列技术发展与具有明显经济意义的钛部件生产相结合。这种方法值得密切关注，因为它强调了钛金属加工的特殊性能。例如，钛的独特特性限制了加工参数，从而难以进一步优化切削速率、表面质量、尺寸精度和刀具寿命。这通常归因于金属去除率和刀具寿命之间的平衡。牧野机床公司多管齐下，不叫ADVANTiGE加工技术，就是为了打破这种束缚。它以集成和协调的方式涉及主轴的性能、冷却液的流量和压力、抗振性能、机床的刚性和切削策略。简而言之，该公司认为这些技术可以导致更高的金属切削率和更长的刀具寿命。这两个因素的本质改善对于提高生产率和有利可图的钛金属加工是至关重要的。根据牧野公司的情况，采用其新方法后，生产率提高了4倍，刀具的使用寿命也提高了2倍。集中牧野新开发的产品是T4五轴卧式加工中心.这是迄今为止T系列中最大的机床，是专门为加工飞机钛金属零件而设计生产的系列产品，用于加工车架、塔架和舱壁(也可提供该系列较小型号的T2机床)。T4机床具有全部五种加工技术的综合功能，其优点是克服了金属切削率有限和刀具寿命短的缺点。T4型机床是一种大型机床，其X轴、Y轴和Z轴的行程分别为4200毫米、2000毫米和1000毫米，工件重量可达5000公斤。除了令人印象深刻的机床规模之外，还有其巨大的立柱和床身结构，该公司声称为了提高机床的刚性，采用这种结构是绝对必要的。

其他技术，尤其是能降低机床振动的技术，只有依靠这种固有的刚性，才能发挥全部潜力。机床的主轴被描述为一个紧凑的部件，但这只是与具有齿轮传动和同等容量的主轴相比较。T4机床的直接驱动主轴是该公司生产的最强大的主轴，其扭矩、马力和夹紧力比以前的任何主轴都高。主轴还可以为5轴加工提供旋转运动，其旋转范围为A轴110和C轴360连续旋转(图2)。图2为了满足对钛金属加工能力的迫切需求，机床必须根据这种应用目的进行专门设计。牧野的T4卧式加工中心是向大型、强力、单轴机床发展的代表产品。主轴还代表了一种新技术，可以控制由强力切削引起的颤动。这一点非常重要，因为钛加工中的过度振动是刀具磨损和失效的罪魁祸首。在机械加工的过程中，加工钛金属所使用的刀具是非常昂贵的，因此延长刀具的使用寿命对其所能达到的底线有着直接的影响。牧野自制主轴技术，解决主轴振动问题。安装在主轴中的传感器可以测量过大的切削力引起的位移，并将数据传输到控制装置。控制软件中的算术程序将高速处理这些数据，并且几乎可以立即调整其处理参数。反应通常是低主轴速度。如果接近机床动态共振的某个“最佳点”，就可以获得较高的主轴转速。机床上的主动防振系统已经成为主轴技术的补充。通过低频振动传感器和调节摩擦力，系统可以实时抑制结构共振引起的颤振。可以说，这种机床会自动“收紧”其导轨系统，以抑制其颤振。关于冷却液T系列机床开发的另外两项内置技术都与冷却液的传输有关。钛容易受热损坏，所以安全。

解决这个问题的一个办法是，采用一个可向切削区直接传送大容量高压冷却液的系统。这其中包括通过喷撒的方式，从主轴头周围的喷嘴和通过主轴孔径输送冷却液。冷却液的压力和流量可分别达到1500lb/in2（1in=25.4mm）和55gl/min（1gl=3.785L）。另一个办法是，采用一套可改变这一压力和流量的系统，以满足加工操作的需要。这一切是通过控制单元中的加强型M代码功能进行处理的。

该公司还在研究“雾化”冷却液的方法。这一概念的原理是降低冷却乳剂中化学颗粒的尺寸，使它们能够更有效地渗透到刀具与工件的界面之间，从而提高该配方的冷却和润滑功能。

图3 在主轴头上的A轴和C轴具有五轴加工的能力。主轴中的刀具计量长度为150mm，直径为80mm。它有5条排屑槽，每条排屑槽上带有7个镶刀片

对刀具采取的策略

据该公司介绍，这些加工技术的组合效应对刀具的使用有两个广泛的含义。其中一个含义已经被提到，即抑制主轴和机械结构件中的振动源，以大幅度提高刀具的使用寿命。随着刀具使用寿命的延长，为钛金属加工而专门设计的高性能刀具将成为切削成本计算中的经济选择。控制振动也就意味着能够让机床以更高的进给速度和主轴转速进行加工，以提高金属的切削率。

第二个好处是，使采用创新的刀具设计变得更为切实可行。长刃刀具的使用就是一个很好的例子，那就是带有排屑槽刀刃的铣刀，用于切削蜂窝的侧壁，一次走刀就可达到全部切削深度。为了充分利用这种可能性，刀具制造商正在开发新的刀具设计，例如可变节距的排屑槽和可变前角的镶刀片。

托盘的交换

最后一个优点是，T4型机床的设计可减少非加工时间。该机床拥有两个托盘，每个托盘上配有一个可倾斜的立杆。当该立杆全部倾斜时，可从一台天车上安装一个大型工件。当立杆升起时，托盘可将该工件传送到水平方向的主轴上，以改善切屑间隙和提高冷却液的流量。

当一个工件在第二个托盘上加工时，可装卸另一个工件。据该公司声称，其切屑到切屑的时间为2min。

更易于管理

加工钛金属的规则正在发生改变。正像机床制造商那样，刀具制造商和其他供应商建立在彼此进步的基础之上，生产钛金属零件将更加便于管理。这就是说，生产工艺将建筑在更加坚定的理解基础之上，以深入地了解相关的加工力、众多变量的相互作用，以及所有成本因素的相互作用。

钛金属研究和开发中心

Makino公司已选择将其新的钛金属研究和开发中心设立在其俄亥俄州的Mason工厂，那里的一个工程师小组将继续开发钛金属材料的铣削加工技术。该工厂将包括机床、三坐标测量机及其他进一步开发钛金属材料加工技术所必要的工具。此外，专门从事加工这种难于对付材料的专家们，将出现在他们的身边。

“钛金属加工能够推动工艺的发展，这意味着必须开发适合于钛金属材料特性的特定机床、刀具、加工工艺和冷却液，”Makino公司的副总裁Tom Clark先生说。该研发中心的工作人员将与经销商、供应商和合伙人共同合作，开发和改进各种类型的钛金属应用领域。

据该公司介绍，之所以选择Mason工厂是因为钛金属材料在宇航工业中起着越来越重要的作用，而这一工业则主要集中在北美地区。