鈦合金高效銑削技術(shù)

   
   鈦合金零件的銑削同其它難加工材料的相同之處是，會由于切削速度很小的提高而導(dǎo)致刀具切削刃的較快磨損。 

   不同之處在于，由于鈦合金的強(qiáng)度高、粘性大,切削中更容易在切削區(qū)產(chǎn)生和積聚熱量，加之導(dǎo)熱性差，在大切除量的銑削時，有引起燃燒的危險。這就是銑削鈦合金零件，一定不能選擇高切削速度的原因。 

   但是，鈦合金零件加工的速度還是可以提高的。即切削速度保持不變時，通過提高金屬去除率的方法提高零件加工速度。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不包括使用更大功率或高檔機(jī)床，而是配備能夠充分發(fā)揮現(xiàn)有機(jī)床切削功能的刀具，它同時還能夠?qū)�機(jī)床的某些不足，如剛性差等進(jìn)行補(bǔ)償。 

   Kennametal公司便是一家專注于鈦合金銑削工藝試驗(yàn)研究的著名刀具制造商。公司里有一位曾經(jīng)接待過許多咨詢鈦合金銑削技術(shù)用戶的技術(shù)顧問、銑削產(chǎn)品經(jīng)理Brian Hoefler先生。本文重點(diǎn)介紹了他在鈦合金銑削方面的豐富經(jīng)驗(yàn)。  

   為什么鈦合金的銑削會引起人們的特別關(guān)注呢？至少有兩個原因，第一，鈦合金主要用于高檔零件，不僅用于制造飛機(jī)機(jī)身和發(fā)動機(jī)零件，而且用于制造醫(yī)療器械中的許多零件。特別對于某些壯大中的美國制造企業(yè)，必須向高檔產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，會經(jīng)常遇到鈦合金零件銑削的技術(shù)難題。 

   另一個原因是，不是每一個車間都可以實(shí)現(xiàn)高進(jìn)給速度加工，所以鈦合金銑削中在材料難以加工，或加工過程中切削速度不高時，通過什么途徑才能達(dá)到高效率加工成了急待解決的問題，引起制造商的高度重視。 

使用高韌性刀具 

切削刀具材料的正確選擇將是實(shí)現(xiàn)鈦合金高效銑削加工的第一個重要問題，Hoefler先生說。硬質(zhì)合金刀具可以是一種正確的選擇，而且機(jī)加車間經(jīng)常習(xí)慣于把硬質(zhì)合金當(dāng)作最好的切削刀具材料，尤其在幾乎所有的困難加工中，通常都選擇硬質(zhì)合金。而對于鈦合金加工，新一代的高速鋼將是良好的硬質(zhì)合金的替代材料。 

按理說，具有好的耐磨性的硬質(zhì)合金刀具能在合理加工成本下實(shí)行高切削速度。但這一合理加工成本是以刀具必須具有的“很高韌性”或能抵抗沖擊，抵抗斷裂能力為前提的。但遺憾的是通常使用的硬質(zhì)合金的脆性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高速鋼。 

這一點(diǎn)在銑削鈦合金中，具有非常重要的意義。通常來說，硬質(zhì)合金刀具失效的主要原因不是切削刃的磨損，而是刀身的破碎。其次，銑削鈦合金過程中切削熱的升高，也使硬質(zhì)合金刀具不能發(fā)揮高切削速度加工的優(yōu)勢。因?yàn)樵诟咔邢魉俣认录庸�，需要加注大量冷卻液，在這一熱一冷的交替作用下，刀具和工件間產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱沖擊，會很快引起脆性大的硬質(zhì)合金刀具切削刃的破碎。以上的兩個技術(shù)難題，都需要通過刀具本身固有的高韌性加以解決。而普通硬質(zhì)合金刀具卻遠(yuǎn)不能勝任。切削試驗(yàn)證明，使用一個高韌性的刀具，例如使用高速鋼刀具銑削鈦合金工件，不必?fù)?dān)心引起切削中沖擊的產(chǎn)生和切削刃破裂。尤其在較小剛性的機(jī)床上加工，高韌性的高速鋼刀具可以通過加大切削深度而不是通過提高切削速度實(shí)現(xiàn)高金屬切削率加工。 

不僅如此，目前還可提供大范圍的高韌性高速鋼刀具材料供用戶選擇。大多數(shù)車間并不都知道這一點(diǎn)。他們也不知道，市場上出售的高速鋼刀具還可以經(jīng)過一些特別處理程序，諸如實(shí)行增加某種元素成份的高速鋼冶煉(如增加鈷含量)進(jìn)行熱處理(多次分級淬火回火)，或者將高速鋼材料經(jīng)過對其制造過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，制成金相組織均勻的粉末冶金高速鋼等。所以價格昂貴的高鈷高速鋼、粉末冶金高速鋼都是用于高效銑削鈦合金的理想刀具材料。 

高切削溫度的控制 

有時侯也可選擇硬質(zhì)合金刀具，采用一種小徑向切入法切削鈦合金零件，可達(dá)到驚人的高速(見《10%與100%》一節(jié))。在這些切削中，刀具不僅要解決好一般情況下的耐磨性問題，尤其要解決好高切削溫度下刀具的耐磨性問題，這一點(diǎn)很重要，需要使用涂覆硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工。 
 
據(jù)Hoefler先生介紹，氮化鋁鈦(TiAlN)涂層硬質(zhì)合金刀具，對于加工鈦合金通常是最好的選擇。在很多基本刀具涂層種類中，TiAlN對保持刀具的綜合機(jī)械性能和當(dāng)溫度增加時保持刀具的高溫切削性能都有很好的作用。實(shí)際上，高的切削溫度對涂層還起到一定的保護(hù)作用。鋁分子通過切削中的加工能量從涂層中釋放出來，在刀具表面形成一層氧化鋁保護(hù)層。這一層氧化鋁保護(hù)層減少了刀具和工件之間的熱傳遞和化學(xué)元素的擴(kuò)散。同時還能在這一保護(hù)涂層形成不久，不斷補(bǔ)充更多的鋁分子，以保持這一形成氧化鋁保護(hù)層的化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行(見《新型富鋁涂層》一節(jié))。 

然而，TiAlN 涂層不適用于振動較強(qiáng)的場合。這時就要用到氮化碳鈦(TiCN)，它能防止因振動產(chǎn)生的涂層剝落�！爱�(dāng)你使用可換刀片和在一剛度較小的機(jī)床上強(qiáng)力切削時，嘗試TiCN 也許是最好的選擇�！盚oefler先生說。 

更多切削刃參加切削 

即使在切削中切削速度、銑刀的每齒進(jìn)給量和切削深度都保持不變，有時也能使生產(chǎn)效率得以提高。這里的解決方案是使更多切削刃參加切削。 

例如，對于螺旋銑刀，盡可能地選擇小螺距刀具(如螺旋玉米立銑刀)。使用這種刀具能使高速鋼刀具有更多的切削刃。由于高速鋼刀具比硬質(zhì)合金刀具能夠提供更多切削刃，因而前者更多地被采用。 
 
另一個使更多切削刃參加切削的方法是采取不同方向進(jìn)行銑削。通過“插銑粗加工”(有時也稱鉆入式粗切)方法，使用一個套裝銑刀，仿佛沿Z軸鉆孔一樣，由刀具的端齒與側(cè)齒，共同按匯編好的加工程序，進(jìn)行搭接式加工。所以生產(chǎn)效率高，排屑也方便。 

這種方法只能用于粗加工, 因?yàn)槊績纱未罱邮郊庸ぶ�間仍都留有一些扇貝狀的未加工金屬。但是因?yàn)椴邈姶旨庸び泻芏嗲邢魅袇⒓忧邢鳎�所以在刀具的每齒進(jìn)給量保持恒定時，每分鐘的進(jìn)給速度能夠得到大大提高。再者，插銑粗加工的Z 軸進(jìn)給的優(yōu)點(diǎn)還在于能夠發(fā)揮機(jī)床的高剛性優(yōu)勢，這是因?yàn)檠刂鬏S的多樣性的連接機(jī)構(gòu)(例如刀夾接口)都勢必會沿X或Y軸產(chǎn)生撓曲，而在Z軸方向產(chǎn)生壓縮，這樣使機(jī)床在沿Z軸方向有很高的剛度。這意味著可以增大刀具的每齒進(jìn)給量。 

Hoefler先生說，“插銑粗加工是對高強(qiáng)度金屬高效加工的最好解決方案。建議在鈦合金銑削中，都能使用這一加工方案�！� 

消除振動措施 

對于刀具在切削中產(chǎn)生撓曲的原因和使其消除課題的研究也相當(dāng)重要，因?yàn)樗鼘⒁�出一個很重要的技術(shù)難題 — 振動。振動在鈦合金銑削中，存在兩方面的不利因素：一是切削力的產(chǎn)生與增大，都有會引發(fā)和加大振動；另一方面，機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速高低似乎與振動無關(guān)，所以不能找出一種能夠調(diào)諧振動的“理想”轉(zhuǎn)速。 

實(shí)際上，振動決定著大多數(shù)的鈦合金銑削加工的生產(chǎn)效率。大量切削試驗(yàn)證明，在鈦合金銑削加工中，最大金屬切削率的獲得，不是在機(jī)床輸出最大功率之時，而是發(fā)生在極大的振動開始。這就是為什么要建立而且也能建立一個能及時控制振動程序的原因。Hoefler先生建議，要提高鈦合金銑削加工的生產(chǎn)效率，還必須注意解決好以下幾個技術(shù)問題： 

剛度 刀具與刀夾之間的聯(lián)結(jié)，刀夾與主軸之間的聯(lián)結(jié)，都必須使其盡可能地保證足夠的剛度。對于刀夾，熱脹冷縮型，提供了最佳的解決方案，對于主軸，HSK快換刀夾與普通錐度接口相比，提供了最好的剛度。 

阻尼 將刀具設(shè)計出偏心后角或一帶“棱邊”的刀頭結(jié)構(gòu)， 能提供很好的阻尼，以抑制切削中產(chǎn)生的振動。當(dāng)?shù)毒弋a(chǎn)生撓曲變形時，這個有偏心后角的刀具后刀面將與工件接觸與摩擦。不是所有的材料都能較好的與工件摩擦，鋁合金有粘附趨向。而對于鈦合金銑削，在刀具切削刃上刃磨出的“棱邊” 也會起到一個很好的減震器作用。 

變化各切削刃間的排屑槽空間 對于這樣一種結(jié)構(gòu)的刀具設(shè)計與防振措施，許多車間可能還不太熟悉。刀具在高速旋轉(zhuǎn)中，切削刃有規(guī)則地撞擊工件，因而產(chǎn)生振動。若將銑刀的排屑槽空間設(shè)計成不規(guī)則排列，切削試驗(yàn)證明，將能起到很好的減振作用。例如，當(dāng)銑刀的第一、二兩個切削刃間相距為72°時，則第二、三切削刃間則應(yīng)相距68°，第三、四切削刃間相距75°，為不均勻分布。由Kennametal公司設(shè)計的曾獲得專利的又一種防振措施是，將銑刀切削刃設(shè)計成各不相等的軸向前角，也能取得良好的減振效果。 

新型富鋁涂層 

“Al”分子在TiAlN涂層中是最活潑的，它對涂層刀具的切削性能有很大的影響。它可在刀具表面形成一層氧化鋁保護(hù)膜。在涂層中，“Al”分子的含量增加，使這一作用更加有效。 

當(dāng)然，應(yīng)該感謝經(jīng)不斷改進(jìn)的用于生產(chǎn)涂層的氣相沉積工藝技術(shù),它可使TiAlN中的“Al”分子含量繼續(xù)增加，其結(jié)果使新形成的TiAlN 涂層，在不犧牲韌性的前提下，極好地提高了涂層(刀具)的紅硬性。Kennametal公司已于今年上半年開發(fā)出了這種新的富鋁TiAlN涂層刀具。 

10%與100% 

目前一些技術(shù)較為超前的車間已能使用硬質(zhì)合金涂層刀具，采用一種小徑向切入法切削鈦合金零件，主要的目的在于解決鈦合金加工中產(chǎn)生的高切削溫度的技術(shù)難題。其切削原理是在采用小徑向切入法切削過程中，選擇比刀具的半徑小很多的徑向切削深度進(jìn)行徑向切入。由于選擇很小的切削深度，就可大大地提高切削速度，其結(jié)果是極大地減少了每個切削刃切削時間，即減少了切削刃的加工時間，延長了非切削時間，即增加了切削刃的冷卻時間，極好地控制了切削溫度。 

   據(jù)Kennametal公司的Brian Hoefler先生介紹，采用小徑向切入法切削鈦合金零件，能極好地控制切削溫度，同時能實(shí)現(xiàn)高速度加工。小徑向切深不會帶來高金屬去除率，但在工廠中使用該方法，可提高加工精度。 

   由Hoefler先生進(jìn)行的切削試驗(yàn)證明，在鈦合金零件銑削中，采用小徑向切入法加工，將遵循以下規(guī)律： 

當(dāng)徑向切削深度小于直徑的25%時，即能提高50%的切削速度(sfm)，一般超過用于重切削時的額定速度。 
當(dāng)徑向切削深度小于直徑的10%時，可100%的提高切削速度(sfm)。