钛合金及其在工业中的应用钛具有强度高、重量轻、耐腐蚀性能好等优点，解决了许多工程问题。钛的强度比钢高30%以上，但重量却轻了近40%。钛的重量是铝的两倍，但其强度却高出60%。钛合金是以钛为基础，添加铝、锰、铁、钼等金属，以增加钛的强度和耐高温性能的合金。分为钛合金、钛合金、钛合金和较新的钛铝合金，其中钛合金的应用最为广泛。钛合金的高耐腐蚀性也是一个有价值的特征。当暴露在大气中时，钛可以形成一层氧化膜，抵抗许多腐蚀材料。钛合金以其优越的性能，尤其是高的比强度，在新兴的航空航天工业中得到了广泛的应用。比如机身结构件、起落架、液压系统、航空发动机零件等。近年来，钛合金在新飞机中的比例从5%提高到14%以上。火箭、导弹、飞船的钛合金部件占比更高。随着钛合金成本的降低，其工业应用逐渐扩展到造船业，如潜艇、船舶螺旋桨、索具等要求高耐蚀性的零部件。此外，由于与人体组织的亲和力，钛越来越多地被用于医学工程，成为人体植入物和骨修复的主要材料。在汽车行业，近年来，钛合金被用于制造发动机气门、连杆、轮毂螺钉、排气系统和悬架弹簧。钛合金部件可以增加发动机功率和扭矩，提高燃油经济性，解决噪音和振动问题。钛合金零件减轻材料重量50%左右，使用寿命大大提高。钛悬架弹簧不仅可以显著减轻重量，还允许增加有效载荷和更多的乘客空间。虽然钛合金一直被认为是一种价格昂贵的材料，但随着生产技术的发展和工业市场消费的增加，其成本将会大大降低，应用前景将极为广阔。2钛合金加工的特点按照传统的观点，钛合金被视为难加工材料，费时费钱，令人望而生畏。然而，随着钛合金应用的日益普及，人们对钛合金加工机理的认识也逐渐加深。随着钛合金加工新工具和机床的出现以及加工经验的积累，我们现在已经有了坚实的知识基础和设备条件。可以认为钛合金的加工难度不比高合金不锈钢高。以前我们为什么会认为钛合金是难加工材料？因为对其加工机理和现象缺乏深入了解。加工钛合金时的切削力只比同硬度的钢稍大，但加工钛合金的物理现象比加工钢复杂得多，这就使钛合金的加工面临很大的困难。大多数钛合金导热系数低，只有钢的1/7，铝的1/16。因此，切削钛合金过程中产生的热量不会迅速传递到工件上或被切屑带走，而是聚集在切削区域，产生1000以上的温度，使刀具的切削刃迅速磨损开裂，产生切屑瘤。继续使用快速磨损的切削刃会在切削区域产生更多的热量，进一步缩短刀具的寿命。同时，切削过程中产生的高温破坏了钛合金零件表面结构的完整性，导致零件的几何精度下降和加工硬化现象，严重降低了其疲劳强度。钛合金的弹性可能有利于零件的性能。然而，在切削过程中，工件的弹性变形是产生振动的重要原因。切削压力使“弹性”工件离开刀具并反弹，使刀具与工件之间的摩擦力大于切削效果。摩擦过程还会产生热量，加剧了钛合金导热性差的问题。这个问题甚至更严重
此时按照原来的切削速度，加工变得过高，进一步导致刀具的急剧磨损。是热态钛合金加工困难的“罪魁祸首”，颤振是钛合金加工效率低的根源！笔者曾经写过钛合金加工的工艺和工具，这里就不赘述了。现在，我将主要从机床设计的角度来说明如何解决这些问题。3钛合金加工机床世界各地著名的机床制造商都推出了不同类型的钛合金加工机床，如日本的牧野、韩国的斗山、美国的MAG公司等。虽然它们各自采取的措施不同，但它们的共同特点是针对加工钛合金零件时切削力较大和铣削过程的不连续性，注重提高机床的刚度和阻尼，在铣削稳定区域将W凸角曲线上移，增加加工过程中的稳定区域，从而提高金属去除率，如图1所示。从图中可以看出，刚度低、阻尼小的机床切削稳定区是有限的。为了保证生产效率，操作人员只能减少背切削量(切削深度)，提高主轴转速，导致刀具寿命大幅降低。高刚度、大阻尼的机床可以提供更大范围的切削稳定性。为了满足钛合金飞机零件加工市场的需求，牧野公司成立了钛合金加工研发中心；美国d中心，并开发了T系列5轴卧式加工中心.其核心技术被称为ADVANTiGE，意为“钛加工的优势”，可使钛合金加工效率提高4倍，刀具寿命提高4倍。ADVANTiGE由以下四部分组成：(1)高刚性、高动态响应的机床结构；(2)具有大阻尼和主动阻尼系统的结合面；(3)大功率大扭矩主轴；(4)高压大流量冷却系统。上述四项技术的集成，克服了传统钛合金加工中金属去除率低、刀具寿命短、易颤振的问题。3.1机床的刚度和阻尼T系列卧式加工中心有T4和T2两种。T4卧式加工中心x、y、z轴行程分别为4200mm、2000mm、1000mm，最大工件重量5000kg，适用于加工飞机大型钛合金结构件。T2卧式加工中心x轴
行程比T4减小50％，除具有托板交换系统外，其他基本保持不变，其外观和基本规格如图2所示。 高刚度是T系列机床设计遵循的第一原则，T系列卧式加工中心采用大质量的床身，1.7m宽的立柱。310mm宽、60mm厚的矩形导轨系统和大直径的滚珠丝杠，从而保证机床具有很高的刚度和较大的阻尼，导轨结构特点如图3所示。3.2 主动减振（阻尼）系统 ADVANTiGE 主动减振（阻尼）系统借助低频振动传感器对摩擦力进行实时调整，保持5个运动轴的导轨系统载荷（切削力＋工件重量）恒定，从而提高了机床的阻尼性能，避免了机床结构颤振和刀具损坏，从而获得更高的金属切除率和减少刀具磨损。 传统的导轨系统当载荷增加时，摩擦力不仅随之增大，且由于铣削切削力的变化造成摩擦力的急剧波动，极易导致机床结构发生颤振。借助主动减振（阻尼）系统可以保持摩擦力基本不变，其工作原理如图4所示。 从图中可见，压缩空气通过伺服阀进入导轨系统的气腔内，形成气垫，使工作台处于半浮起的状态，由于气压是可控的，恰好抵消载荷的增加或变化，使导轨系统的摩擦力保持恒定。接通或断开主动减振（阻尼）系统对导轨系统摩擦力的影响如图5所示。
3.3 大功率、大扭矩的智能电主轴 T系列机床采用的HSKA125电主轴是牧野公司到目前为止最强大的电主轴，紧凑的结构设计结合最新的大扭矩异步电动机和双变频传动技术保证了钛合金加工所需的大功率、高转矩特性。电主轴的外观和技术性能如图6所示。 HSKA125主轴的连续运转的功率高达100kW，最大输出转矩1000，最高转速4000r/min。前后轴承皆采用大直径的角接触球轴承，可承受高达20kN的径向切削力和11kN的轴向切削力。 该主轴采用自适应控制技术，借助位移传感器测量由过大切削力、惯性力和热变形所造成的主轴轴向位移变形。此变形信息实时反馈到数控系统Professional5，自动调整切削参数以适应当前的加工条件，从而保护了主轴和刀具；实现了机床主轴能够自主检测、思考、决策和反应以及优化切削状态的终极目标。 A125电主轴安装在摆叉式铣头中央，摆叉式铣头的A轴旋转范围为±110，C轴可360连续旋转，其结构和工作原理如图7所示。 从图中可见，主轴的A轴的回转由2台伺服电动机同步驱动，分别通过左右两侧的无间隙斜齿轮带动主轴壳体耳轴转动，以满足大进给力的需要。
3.4 凸轮驱动的回转工作台 T2加工中心可配置回转工作台。为了保证回转精度，提供较大的进给力，采用了凸轮驱动滚柱轮的无间隙传动机构，如图8所示。 从图中可见，伺服电动机连接弧面的凸轮杆，通过其螺旋槽与滚柱轮上的滚柱啮合，驱动工作台的滚柱轮旋转。滚柱内有滚针轴承，使其外圈可绕内圆柱自转，因此整个传动副是在滚动摩擦状态下工作，承载能力大，传动效率高。控制滚柱的外圆尺寸和凸轮杆与滚柱轮的中心距，即可对传动副施加一定的预紧力，实现零背隙传动，保证了机床5轴加工时的精度。
3.5 加工空间的温度控制 解决钛合金加工发热难题措施之一是对整个加工区域进行温度控制。T系列机床是封闭的，分隔成加工空间和机床结构区。机床温度控制器（空调）将冷空气分别输送到这两个区域。一方面使加工空间的温度尽量保持恒定，另一方面利用机床立柱前后温差的热管效应，使立柱内部的冷却液不断循环，使热场均匀化，减小热变形，其原理如图9所示。
3.6 高压大流量的冷却系统 尽可能保持工件处于常温状态和尽快将高温切屑移除是钛合金加工的关键。T系列机床在冷却液提供方面采用高压大流量冷却系统向切削区域直接提供大量的高压冷却液，使切屑尽快地从多刃刀具的有限空间排出。压力和流量可以借助数控系统的M指令调节。冷却液的供给有3种方式：主轴上部花洒、主轴前端四周喷嘴和通过主轴内孔。三管齐下以提高其冷却效果，如图10所示。 通过主轴内孔供给的冷却液压力达7MPa，流量达20，以便直接将冷却液喷射到切削刀刃上。
4 结语与展望
新材料的出现必将推动制造技术的变革，加工不同材料的机床应该具有各自的特点，才能不断提高生产效率，对钛合金等难加工材料更是如此。 低频动态刚度高的机床结构以及采用自适应技术的机床不断出现，使加工钛合金的“振动”难题也将迎刃而解。 新的钛合金不断出现。例如，ATI公司的425合金是钛合金，其板材厚度可精确控制，表面粗糙度值很小。这些性能优势提供飞机设计师减重节能的新机会，但是加工难度加大，又给机床设计师提出新的挑战。 新的刀具材料和刀具结构不断出现，正在克服钛合金加工过程中的“热”难点，加工钛合金的难度明显减少。 新的加工工艺。钛合金的加工工艺不只局限于切削加工，压力加工、焊接、铸造以及特种加工方法正在获得越来越广泛的应用。
