通过优化刀具和刀夹，优化冷却润滑液的管理及新的加工战略来提高加工钛和钛合金的效率，是Darmstadt工业大学生产工程与机床研究所（PTW）“钛工作小组”的重要目标。
钛和钛合金由于它具有不寻常的性能而在航空和航天工业、生物医学、化学以及石油工业中获得了广泛应用。其中，航空行业以70%的消费量而成为诸如结构件、起落架零件和涡轮结构件等钛产品的最大市场。尽管钛材料的成本较高，然而钛的使用还是在持续地增加。以往在空客A330，铝所占重量的比例高达70%，而对于空客宽体飞机A350，铝所占重量的份额降低到了20%。与之相反，碳纤维增强塑料（CFK）却从5%增加到整个飞机重量的50%以上。由于碳纤维增强塑料和铝合金之间存在较高的电化学电位差，在这两种材料的接触部位会产生腐蚀。跟铝相比，当采用钛合金时，这种引起腐蚀的电位差减小了80%，因此，飞机制造厂家追求的目标是在尽可能多的接触部位通过钛材料制成的零部件替代铝制零部件，结果在新型飞机上钛材料所占的比例由5%提高到14%以上。
几乎是钢密度的一半
在飞机工业，对于钛合金的结构件，其材料切除量要达到90%。因此，波音B-787梦想飞机是从超过90吨钛合金加工成总重量约为11吨的众多构件。但是，为了尽可能降低加工成本，值得去追求较高的材料切除率。然而在最近十年里，钛材料切除率只是增加了一倍，而铝的材料切除率却增加了5倍。目前，铝的材料切除率已达到10升/分或更高些，而对于钛的切削刚刚达到0.5升/分。
钛合金的强度差不多与钢相同，而密度仅为钢的一半。这在材料的使用上带来了好处。由于较低的弹性模量、较高的切削力和较低的导热系数使材料的切削性能变坏。在飞机制造业使用最多的合金是Ti-6Al-4V，其热导率λ=7.5W/mK，这导致在刀具的切削刀刃上产生与切削速度、进给量和吃刀量相关联的极高温度。这同75%以上的切削热通过切屑排除的铝件切削相比较，钛合金材料切削则绝大部分的切削过程热是由刀具吸收（如图1）。对于刀具来说，这意味着是一个极大的负荷。在刀具上由于温度很高（达1000℃）促进了扩散过程和粘结。较大的热梯度导致刀具内产生附加的热应力并最终导致刀具失效。由于弹性模量较小，钛合金材料在刀具切削的压力作用下产生蠕变，如遇到不稳定的构件就增加了振动的危险。这种振动由于材料具有较高的弹性极限比率（译注 ：指屈服极限和抗拉强度之间的比率）进一步增强，而塑性变形只有在一定条件下才是容许的。由于是弹性材料，这种材料在切削力的作用下产生强烈回弹，致使在刀具的后面范围内后角变小。较低的切削速度和较大的切削力并同较低的激励频率结合导致产生颤振。
图1 在切削钛合金材料时不会发生材料的软
化：Ti-6Al-4V，Ck45和Al 7075的材料性能。
对机床结构的要求
钛合金加工对机床提出了特别的要求。其一是由于作用着的静态和动态的过程力而产生了这些要求；其次是钛合金加工需要有一个外围系统的布局，例如冷却润滑设备。
为了达到如同在加工铝时那样的材料切除率，力求达到的目标是以尽可能大的轴向和径向吃刀量和相应的刀具直径来产生工件最终的几何形状。较大的吃刀量会导致产生较大的加工力。这个力导致在工件和刀具之间产生静态挤压力。由此使工件形状精度变差或可能导致加工过程的不稳定。基于这个原因，机床的结构必须尽可能地提高刚性。一些机床生产厂家致力于以封闭式框架结构的焊接钢结构来提高机床刚性。进给（坐标）轴装备大功率进给驱动装置和高刚性、无间隙的导轨系统，在到达加工位置时导轨系统可以实现夹紧。由此来进 一步增强机床的刚性。还有过程刚性，甚至到主轴—刀具的接口（刀夹）也是机床刚性的一部分。由于要承受较大的切削力，在这里，HSK-100和规格更大的接口已经是经受了使用考验，较大的力必须要依靠较大的夹紧力来传递到刀具上。
图2表示的是采用16mm的整体硬质合金铣刀，以轴向吃刀量（背吃刀量）为16mm和径向吃刀量（侧吃刀量）为1/2刀具直径（d）进行的切削试验。由于螺旋形刀具使该铣刀从刀夹中滑出，并切入材料7mm深甚至刀具失效。恰恰在使用整体硬质合金铣刀的同时，强有力的热装冷缩式夹头提供了较高的刚性和夹持力，并同时具有较高的回转精度。除了静态特性外，特别是机床的动态特性对于很有成效的钛合金加工起着决定性的作用。一个很大的挑战是掌握切削过程的稳定性。如果机床的刚性和阻尼性能太低，那么由于动态效应而产生自激振动，从而导致所谓的过程振颤。这种振颤除了在工件上造成较差的表面质量外，还造成机床结构、主轴和刀具承受较高的负载。由此造成机床的损坏、较大的刀具磨损和损坏。在这方面，切削过程的稳定性很大程度上是与所选择的诸如主轴转速和切削深度这样的工艺参数有关。在所谓的切削过程稳定性曲线图中可看出工艺参数的影响是很明显的。在图3中所示的稳定性极限表明与主轴转速相关联的可达到的切削深度具有示范性。通过提高机床的刚性和在机床构造中提高阻尼能力，例如通过在钢焊接结构中充填聚合物混凝土，这种极限的切削深度就可以提高到一个较高的水平。
图2 由于刀具夹持力不够，铣刀出现滑出并刺入工件。nextpage
采用主动的阻尼系统可以进一步提高这种切削深度。另一个战略是回避较小极限切削深度（“口袋型颤振”）的转速区段，这可通过储存在机床控制系统中事先根据在刀具中心点处的柔度频率计算出来的稳定性插件板来实现。为了改善排屑状况，推荐采用卧式的主轴配置。冷却润滑液可以将切屑冲出加工区和避免多次切削，这种多次切削会明显缩短刀具的使用寿命。此外，对于冷却润滑的管理来说，在刀具切削刀刃上需要较高的冷却润滑液压力。较高的压力同较高的流量相结合有助于实现有成效的加工过程。在这方面，对于玉米铣刀来说，在冷却润滑流量约为100l/min的情况下可采用100bar的压力。对于在生产工程与机床研究所（PTW）进行的研究表明，通过在相同的刀具磨损条件下附加的大流量冷却可以提高工艺过程参数。
对刀具主轴的要求
钛合金的材料性能和高生产率，要求机床要有较高的驱动功率。这涉及到轴驱动、冷却润滑液的供给、也包括主轴驱动。根据加工参数，可以得出轴驱动的功率要求。对于加工钛合金制成的结构件，通常采用直径范围（8~63）mm的机械夹固可转位刀片的刀具和整体硬质合金刀具。切削速度在粗加工时为50m/min。精加工时达200m/min。与所采用的刀具直径结合起来就可得出加工所需的转速范围，这个转速范围是驱动刀具的主轴必须准备提供的。
通过上面所述的（8~63）mm的刀具直径和（50~200）m/min的切削速度可得出（250~8000）r/min的转速范围。此外，选择适合的主轴驱动是通过所要求的转矩与切削速度Vc，背吃刀量ap、侧吃刀量ae和每齿进给量fz的关系来确定。对于整体硬质合金刀具来说，采用8mm直径（Vc=100 m/min，fz=0.05mm, ap=14mm，ae=4mm，z=5）产生的转矩为12Nm。对于63mm直径的机械夹固可转位刀片的刀具（Vc=70m/min, fz=0.1mm, ap=10mm，ae=5mm，z=7）转矩增加到130Nm，较为精确的实际转矩还得视刀具的磨损情况而定。对于这种机械夹固可转位刀片的铣刀，轴系作用力分解如下：在进给方向作用于驱动装置的最大进给力Ff为2420 N，作用于主轴的推力Fp为1075 N和在切削方向的切削力Fc为6373 N。对于直径为8mm的整体硬质合金铣刀产生Ff=585 N，Fp= -776 N和Fc=1750 N。这样小的切削力是预期中的事。特别是作用在主轴系统上的力，这个力会使刀具可能从刀夹中滑出。图3显示了这种滑出，在这个直径为16mm的整体硬质合金刀具上作用着超过1500 N的力。
图3 通过增强机床的阻尼性能提高切削过程的稳定性。
作为示范，在图4中研究了另外两个实例，通过这两个实例，说明了刀具参数和工艺参数对主轴具体选择的影响。
在图4的b部分表示了两个为钛合金切削所采用的刀具主轴（主轴A，B）及其所选出的两个转矩曲线。
图4 刀具参数和工艺参数对主轴选择的影响。
◆示例1：采用直径为63mm的机械夹固可转位刀片的刀具，有7个刀刃。以Vc=70m/min的切削速度铣削40mm深的侧槽，铣削分4个工步，每次ap=10mm和ae=31.75ｍｍ，两种主轴均可适合这种加工过程（图4b）。
◆示例2：为了高效地加工这种侧槽，把背吃刀量增加到ap=40ｍｍ，并稍许降低切削速度。由于转矩较高，只有采用主轴B才能实现这种切削工艺。
正如生产工程和机床研究所（PTW）的切削试验表明的那样，尚无磨损的刀具所需的转矩可以按Victor-Kienzle的公式进行估算，结果差不多是够精确的（±10%）。但是，目前对于钛合金加工，在经过较短的时间后，刀具磨损已是十分显著了。实际的转矩可能大大超过了计算的转矩（倍数1.6—图4d）。如果刀具主轴仅仅在转矩极限的下面运行，这很重要。通过增强润滑作用，有可能降低约10%的切削力，这取决于是否采用酯类油替代了经常在使用的水基乳化液。
展望
在Darmstadt工业大学生产工程和机床研究所“钛工作组”的研究领域里，提高钛合金切削的生产效率是研究的重点。确定了优化刀具和刀夹，冷却润滑管理方面的优化和采用新的战略和理念作为研究内容。在这里想提一下两个专门的研究项目，一个是一种采用CO2冷却刀具的切削证明是有很好的效果。可以在不降低刀具耐用度的情况下提高两倍的切削速度。此外，试验表明可以显著提高工件的表面质量。另一个是热切削钛合金和其他难于切削的工件材料显示出了新的潜在能力。通过待切削材料的局部加热“人为地造就”一种材料强度，由此改变材料的性能。由于降低了材料的强度，在粗加工试验时表明可以提高3倍的加工参数。同时在机床驱动装置上所作用的力同传统切削相比可降低50%。
这些研究可以为提高钛合金切削的经济性作出贡献，但对于机床制造厂家来说，也意味着对机床提出了新的要求。
本文第一作者Eberhard Abele教授是Darmstadt工业大学工程和机床研究所（PTW）的所长，其他的作者均为该所科技人员。
