利用高压冷却，提高钛合金的切削效率

高压冷却技术，不仅能有效地解决切削钛合金的加工难题，并且也可有效应用於镍基合金（例如Inco
nel 718—铬镍铁合金718）、不 钢和低碳钢等难切削材料的加工上。

High-pressure cooling technology not o
nly provides an effective solution for titanium alloy cutting, but also can be effectively used in the machining of difficult-to-machine materials including nickel-ba
sed alloys (such as Inco
nel 718), stainless steel and low-carbon steel.

钛和钛合金因具有强度高、耐腐蚀性好、比重轻和耐热性好等优良的综合性能而广泛应用于航空和航天、医疗、化学以及石油等工业中。其中，特别是航空工业以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。

钛合金良好的物理和机械性能（见下表），对于飞机构件具有十分重要的意义：较高的比强度，具有类似于钢的强度，却只有钢一半的重量；较低的热导率，这使构件在特别低的温度下，不会变脆，而在较高温度下又不会产生明显的膨胀；较高的高温强度，耐高温可达550℃，而不致发生材料性能变化；较好的耐腐蚀性能，因此，钛合金可用于制造与碳纤维材料构件相连接的连接件，以替代易产生电化学腐蚀的铝与碳纤维材料的连接；以及较低的弹性模量，使构件具有抗塑性变形的能力等等。

在飞机工业中，对于钛合金的结构件，其材料切除量要达到90%。而像波音B-787这样的大型飞机则是从超过90吨钛合金加工成总重量约为11吨的众多不同构件。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10L/min或更高些，而对于钛的切削刚刚达到0.5L/min。

鉴于近几年来，特别是在飞机制造业中，钛合金零部件以及钛合金/碳纤维连接构件份额不断的增加，提高切削加工钛合金材料的生产效率愈来愈具有重要的意义。

钛合金是很难切削的材料

然而，钛合金材料的这些优点却成为其在切削加工时的难点。钛合金材料之所以难以切削，一个主要原因之一是它很差的热导率和较高的比热容。这阻碍了通过切屑和工件把切削热从切削区传送出去。而大部分的热（约75%）传给了切削刀刃。很高的温度促使在刀刃表面上发生扩散和粘结，形成积屑瘤，并同时由于钛合金材料的高强度，在切削时产生较大的切削力。因此，在加工过程中使刀具承受着很高的热负载和机械负载。其次，钛合金的弹性模量低，在切削力作用下构件会产生变形，后又发生回弹，从而影响到构件的加工精度。

从这里可以看出，切削钛合金所存在的主要问题是由于刀具吸收的切削热太多，以至加快了刀具的磨损，迫使采用较低的切削速度，这显然会降低加工效率和增加单件成本。例如，一个Ti6Al4V材质的涡轮增压压缩机叶轮，其制造费用的50%是用于切削加工的费用。

图1 在加工钛合金时，采用液氮进行冷却可明显减少刀具的磨损（资料来源：WZL）

图2 采用CO2冷却的车削加工（资料来源：Dortmund工业大学切削加工研究所ISF）不难看出，解决钛合金材料的切削问题在于采用耐高温的硬质合金刀具和对切削过程中的刀具进行有效冷却。为提高钛合金材料的切削效率和加工可靠性，有不少刀具生产厂家和高等院校开展了卓有成效的研究试验工作。在德国，特别是诸如Darmstadt工业大学、亚琛工业大学、Braunschweig工业大学、莱布尼茨汉诺威大学以及Dortmund工业大学等院校在钛合金切削机理、有限元模型分析、仿真、刀具几何角度、切削试验和采用不同冷却方式等方面开展了一系列研究，其中亚琛工业大学的机床实验室（WZL）还与伊斯卡（Iscar），肯纳金属（Kennmetal），山高刀具（Seco Tools）和山特维克（Sandvik）等刀具厂密切合作开展了包括高压冷却等技术的研究，而莱布尼茨汉诺威大学的生产技术和机床研究所（IFW）由空中客车德国公司、肯纳金属、Paul Horn和Lehmann精密刀具等公司进行资助，开展了“通过刀具开发，提高钛材料铣削加工的材料切除率”项目的研究工作。

高压冷却是一种有效解决办法

研究表明，对刀具进行冷却是解决钛合金切削难题的一种有效办法。目前，高效冷却刀具的技术开发，主要有二种发展途径。一种是采用高压冷却润滑，另一种是采用冷气进行冷却，即采用液态氮（-196℃）或液态二氧化碳（CO_{2）（-65℃）进行冷却，尤其是液氮，这对于冷却铣刀是一种很有应用前景的冷却方式（图1）。应指出，采用氮冷却或二氧化碳冷却进行辅助的切削是一种干式加工，这种干式冷却不仅能冷却刀具、有助快速断屑和延长刀具寿命外，仍具有干切削加工所具有的众多经济、技术和生态效益。如图2。}

在目前，考虑到高压冷却的良好冷却效果，以及现有加工中心和车削中心又都配有冷却润滑设备，还有许多刀具厂家又都能提供用于这种高压冷却的刀具，并积累了许多实际使用经验（无论是车削还是铣削），因此，采用通过主轴的高压冷却润滑液无疑是成为一种首选。

图3 外冷却　　　　　图4 高压内冷却
（资料来源：Iscar）

采用常规的大流量冷却，冷却润滑液到达不了切削刀刃和切屑之间的切削区（图3），不能有效地冷却切削刀刃。 为实现有效冷却刀具，冷却润滑液的供给应以较高的压力和足够的流量，精确地对准切削刀刃和切屑之间的接触区（图4）。在这个接触区形成一个高能量冲击楔，由此缩短切屑和刀刃之间的接触时间，降低切削区温度，同时使切屑变脆，通过冷却和机械冲击力这两个效应的叠加，很快使切屑折断并可靠排出，从而大大提高了加工的可靠性，由此也有利于实现切削过程的自动化。nextpage

图5 采用2MPa压力的冷却润滑液进行外部冷却（资料来源：Iscar）

高压冷却有助于提高生产效率

实践表明，通过高压冷却可提高50%的刀具耐用度。通过调节冷却润滑液的压力大小可以影响切屑的形状，从而改善断屑。根据Iscar公司的资料，可以了解到在不同冷却润滑液的压力下切屑成形的情况。在采用2MPa的压力进行大流量外冷却时，切屑成长条缠绕形的切屑（图5）；当采用8MPa压力的内冷却时，切屑在高压冲击下被折断成小的弧形切屑（图6）。如果采用30MPa超高压进行内冷却，这时切屑变成了针状形切屑（图7）。从这三个实例中不难看出，通过高压冷却可以控制切屑的成形，由此提高切削过程的可靠性，并可提高钛合金加工的切削用量。

图6 采用8MPa高压冷却润滑液进行内部冷却（资料来源：Iscar）

图7 采用30MPa高压冷却润滑液进行内部冷却。（资料来源：Iscar）

在这里应该指出，在冷却润滑液的压力低于7MPa时，由于冷却液在切削刀刃的前面产生汽化而形成汽泡，从而阻碍了热的传导。当采用大于7MPa的冷却液压力时，可以消除这种汽泡，使冷却液直接喷到切削部位。另外应指出，采用传统的矿物油润滑液，在高压冷却切削时，油中易吸入大量空气，致使散热效率变差。为此，德国Fuchs Europe润滑材料公司开发了一种基于合成脂的具有排气性能的冷却润滑液（Ecocool TN2525 HP）可提高冷却润滑液的散热冷却效果。

在钛合金加工时，主要采用机械夹固可转位片的刀具和整体硬质合金刀具。按常规，粗加工时的切削速度一般为50m/min左右，精加工的切削速度为（200-300）m/min，在采用高压冷却后，切削速度可提高20%，此时不会因提高了切削速度而随之使温度提高。如果采用超高压冷却，同时又采用CBN刀具时，切削速度还可以进一步提高。但是，所用的超高压冷却润滑装置需要进行专门的配备。因为加工中心，车削中心和多功能复合机床所配备的冷却润滑装置的压力一般只有（7-10）MPa。

从这个不同冷却方式的加工效果比较中可以看出，高压冷却为提高切削参数提供了条件。采用高的切削参数可以显著提高生产效率，大幅度降低单件费用。虽然通过高压冷却刀具耐用度可提高50%，但是，由于刀具费用一般只占制造费用的3%，因此这只能使单件费用减少1.5%。

采用高压冷却，要注意准确的协调压力、流量和喷嘴孔径之间的关系。根据Sandvik公司的资料，例如，在刀具上使用1mm孔径的喷嘴，为保持压力，需要有5l/min的冷却润滑液流量。因此，喷嘴孔径大小应选择使其产生最高的压力和可以最佳地利用冷却润滑液的流量。

对于铣削加工，在采用多个刀片的情况，相应有多个数量的喷嘴，这时需要较大的冷却润滑液流量，如果润滑系统流量不足，会对喷嘴出口压力产生影响。此时，可考虑采用喷口直径小的喷嘴，以此减少流量并保持冷却润滑液的喷射压力。

采用合适的刀具和机床

在飞机工业，大多数钛合金构件从毛坯加工至成品要切除大量的材料。构件成品的壁很簿，形状又很复杂，常遇到的工序是铣削深槽。因此，提高铣削加工的材料切除率具有特别重要的意义。而提高材料切除率的限制因素是刀具的磨损，莱布尼茨汉诺威大学的生产技术和机床研究所（IFW）的研究表明，在铣削钛合金（TiAl6V4）构件时，采用较小的后角（α=6o）和相对较大的前角（γ=14o）进行组合可减小刀具磨损。

由于钛材料低的弹性模量，铣削时易产生振动。针对这种情况，在刀具设计上拟采用不等分齿的铣刀，以及采用后角为零的狭窄制动刃带。为改善排屑，对刀具前面进行抛光处理。

提高材料切除率，往往要采用较高的背吃刀量和侧吃刀量，因此，在加工时会产生较大的切削负荷。由于钛的弹性模量较低，易引起振动。基于这些原因，机床应具有很高的刚性、很好的阻尼性能和较高的主轴转矩以及大功率的进给驱动装置。对于端面铣削和园周铣削槽腔或槽，可靠的排屑特别重要，为此，机床应采用卧式的主轴配置

目前，诸如DST公司的Ecoforce 2035 及2060加工中心、Hermle公司的C 60U 5轴加工中心和牧野公司的Makino T4均可用于钛合金构件的加工。其中Makino T4是专门为加工钛合金而设计的，该机床除了具有很高的刚性、特别稳定的机床结构、卧式的主轴配置以及大功率主轴和高效的冷却系统外，机床还具有主动的阻尼系统，通过这种创新的阻尼系统可抑制特别在粗加工时产生的振动。该系统通过摩擦力与切削力成比例地作用于导轨，以达到摩擦力对切削力平衡作用。从而使Makino T4能够实现较深的切削深度，达到较高的材料切除率（在粗加工时：约500 cm^{3/min）和减小刀具磨损。}

结语

高压冷却技术的众多优点在于延长刀具寿命、控制切屑成形、提高切削速度和提高工件表面质量，并由此提高生产效率。

目前，高压冷却技术已是一项成熟技术，在实际使用时，冷却润滑液较高的压力、足够的流量和形成精确对准切削刀刃和切屑之间接触区的高能量射流，这对于切削刀具进行有效冷却和实施切屑的有效控制是一个基本条件。为获得钛合金构件加工的最佳成果，要把高压冷却和刀具材料、涂层、几何角度以及切削用量等要素的合理选用和设计结合起来。

因此，选用适合钛合金加工的刀具以及具有高刚性、高阻尼性能和大进给力的机床是实现钛合金构件经济切削的另一个重要条件。