鈦合金零件的車(chē)削加工

    鈦合金具有的特殊性能使其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。很高的強(qiáng)度/重量比、極好的韌性和卓越的抗腐蝕性能使鈦合金可用于制作醫(yī)用人體植入件、高爾夫球桿頭以及軍用裝甲等。
    但是，鈦合金零件的車(chē)削加工卻非常困難，令機(jī)械工藝師們望而生畏，他們認(rèn)為，鈦合金的超級(jí)性能大大削弱了其可加工的“能力”,使其切削加工極具挑戰(zhàn)性。
    這種看法雖有道理，但并不全面。本文探討了鈦合金的車(chē)削加工策略，對(duì)機(jī)械工藝師們加工這種用途廣泛（如賽車(chē)零件、水下呼吸裝置等）的難加工材料以及應(yīng)用新的切削技術(shù)將有所幫助。
    鈦合金生產(chǎn)商--RTI國(guó)際金屬公司的高級(jí)項(xiàng)目專(zhuān)家BillHeadland指出，雖然許多加工車(chē)間將鈦合金加工視為畏途，但實(shí)際上鈦合金包括的品種范圍很廣，你必須了解你所加工的是哪一種。鈦合金的牌號(hào)很多，有些牌號(hào)加工難度極大，而另一些牌號(hào)卻并非如此。商用純鈦（CP牌號(hào)）是一種非合金材料，通常用于制造醫(yī)用零件、熱交換器和眼鏡框架等。CP牌號(hào)具有卓越的抗腐蝕性，且相對(duì)而言較易加工。但與其它鈦合金相比，其強(qiáng)度很低，且又粘又軟。
    在純鈦中加入合金后，改變了其晶相（晶體結(jié)構(gòu)），也改變了材料的特性和機(jī)械加工性。α鈦合金和準(zhǔn)α鈦合金中包含了如鎳、鋁、釩等添加成份。這些中間牌號(hào)鈦合金的可切削性相當(dāng)不錯(cuò)。α-β鈦合金牌號(hào)可能包含有更多的鋁和釩。工業(yè)用主流鈦合金Ti6Al4V就是一種α-β鈦合金牌號(hào)，其中包含了約6%的鋁和4%的釩。Ti6Al4V及其變種大約占到目前所用鈦合金的50%-70%.
    添加了鐵、鉻等成分的β牌號(hào)鈦合金是最難以加工的牌號(hào)之一。由于具有高的斷裂韌性和優(yōu)異的抗高周期疲勞性能，β牌號(hào)的機(jī)械加工性與Hastelloy鎳基合金及類(lèi)似材料相近，其典型的應(yīng)用實(shí)例是制造輕型彈簧，用于觸發(fā)水下發(fā)射戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的可折疊尾翼。
    各種鈦合金呈現(xiàn)出各不相同的切削性能。有人認(rèn)為，加工一個(gè)Ti6Al4V工件所需的時(shí)間通常是加工一個(gè)鋼件的三倍；而有人說(shuō)，加工一個(gè)Ti5553難加工β牌號(hào)工件所需的時(shí)間則是加工一個(gè)Ti6Al4V工件的兩倍。
    在車(chē)削加工中，鈦合金最重要的特性就是熱傳導(dǎo)性差。由于切削時(shí)產(chǎn)生的高溫很難被工件吸收而聚集于刀具切削刃上，過(guò)多的熱量促使切削刃與切屑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生月牙洼磨損。
    鈦合金還具有加工硬化趨勢(shì)，因此，通過(guò)剪切而不是擠壓去除金屬至關(guān)重要。此外，雖然鈦合金具有很高的強(qiáng)度，但同時(shí)也具有較低的彈性模量，這就意味著與其它材料相比，鈦合金相對(duì)更具彈性且更容易離開(kāi)切削刃（尤其在輕載切削時(shí)）。綜合考慮鈦合金的這些特性，為了成功實(shí)現(xiàn)鈦合金的車(chē)削加工，關(guān)鍵是必須實(shí)現(xiàn)切削速度、進(jìn)給率和切削深度的平衡。
    切削速度是影響切削熱產(chǎn)生的首要因素。山特維克可樂(lè)滿(mǎn)的車(chē)削專(zhuān)家StefanGyllengahm曾經(jīng)花了三年半時(shí)間為工具制造商開(kāi)發(fā)刀具牌號(hào)。在此期間，他在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了Ti6Al4V的切削試驗(yàn)，結(jié)果表明，切削速度的選擇必須十分小心：在某些情況下，當(dāng)切削速度提高10%-15%,則刀具壽命會(huì)從40件下降為6件，這表明切削速度的調(diào)整幅度過(guò)大。他還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)以不會(huì)縮短刀具壽命的切削速度進(jìn)行車(chē)削時(shí)，如果提高進(jìn)給率，則會(huì)達(dá)到一個(gè)有損刀具壽命的臨界溫度，因?yàn)榇嬖谝粋�(gè)熱量過(guò)多的極限范圍。
    刀具幾何形狀在控制切屑形態(tài)以散熱方面起著關(guān)鍵作用。較寬和較薄的切屑擴(kuò)大了正在形成的切屑與切削刃之間的接觸面積，從而可減少熱量在切削刃的聚集。如果切屑較薄，產(chǎn)生的熱量較少，切削速度就可以更快一些。
    例如，使用具有-5°標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)程角的C型（80°）金剛石刀片進(jìn)行粗加工時(shí)，切屑厚度與進(jìn)給率大致相等；而采用安裝導(dǎo)程角為45°的正方形刀片則可以使被切除的金屬（以及切削熱）沿著較長(zhǎng)的切削刃擴(kuò)散。圓刀片在理論上將這一概念發(fā)揮到了極致（但僅限于切深較小時(shí)）。Gyllengahm表示，通常在切深較小時(shí)，采用圓刀片可獲得很薄的切屑。但是，考慮到具有12.7mm內(nèi)切圓的圓刀片在切深大于2mm時(shí)其有效導(dǎo)程角會(huì)減小，因此最好使用方刀片，因?yàn)樵谙嗤�的切深下，方刀片仍然具�?5°導(dǎo)程角。
    Bill Skoretz是Patriot Forge公司加工分部的經(jīng)理，該公司提供從低合金鋼、不銹鋼到特殊牌號(hào)鋁合金、鈦合金等各類(lèi)原材料，有時(shí)也會(huì)為公司的客戶(hù)加工鈦合金零件。當(dāng)討論車(chē)削鈦合金所面臨的挑戰(zhàn)時(shí)，他重點(diǎn)回顧了車(chē)削軋鋼機(jī)用冷卻液噴頭的經(jīng)歷。這種耐腐蝕的鈦合金牌號(hào)具有磨蝕性。由于鈦合金具有回彈性，因此必須采用正的刀具幾何角度，而且要重視刀具頭部的形狀。如果刀具的底角或前角過(guò)小，刀具就會(huì)開(kāi)始產(chǎn)生拉力，從而帶來(lái)很多問(wèn)題。因此，必須在刀具頭部正的幾何角度與對(duì)切削刃的支撐之間找到最佳平衡。
    Skoretz從歷史的角度描述了切削刀具的發(fā)展現(xiàn)狀。在開(kāi)發(fā)出硬質(zhì)合金刀具之前，主要采用高速鋼刀具來(lái)切削鋼材。硬質(zhì)合金刀具的出現(xiàn)使采用正的幾何角度成為可能，但機(jī)床必須具有足夠的功率。負(fù)前角刀片只能使鈦合金材料發(fā)生折疊或擠壓，而難以將其切除。但他又警告說(shuō)，如果刀片的正前角過(guò)大，也會(huì)對(duì)鈦合金材料形成拉力。因此，必須在壓應(yīng)力與拉應(yīng)力之間找到平衡。他提到過(guò)去曾使用過(guò)在切削刃上制備有0.1mm或0.13mm的T型刃帶的刀片，“主要為了刀刃的安全，不能采用太鋒利的切削刃，因?yàn)樗�維持不了多久。”他在加工中還采用了油基切削液，但主要是利用其潤(rùn)滑特性而不是冷卻能力。
    其他加工車(chē)間也有不同的鈦合金車(chē)削方法，因?yàn)槿魏尾牧系娜コ�加工都存在各種不同的解決方案。
    Rayco Machine公司有30%的業(yè)務(wù)是加工賽車(chē)零件，其中有許多是價(jià)格昂貴的鈦合金零件，因?yàn)轫敿?jí)賽車(chē)隊(duì)愿意為重量輕、強(qiáng)度高的零件支出額外費(fèi)用，以使他們的賽車(chē)保持在規(guī)則允許的最小重量但同時(shí)仍能對(duì)其整個(gè)車(chē)身重量的分布保持控制。例如，減小旋轉(zhuǎn)部分和非懸掛部分（如車(chē)輪和剎車(chē)部件）的質(zhì)量可以有效提高加速度和操控性能。Rayco公司車(chē)削加工的鈦合金零件中包括運(yùn)行于制動(dòng)鉗與轉(zhuǎn)子之間的零件。
    與Skoretz一樣，Rayco公司總裁Greg Cox也表示，為了成功地車(chē)削鈦合金，需要采用均衡兼顧的方法。他認(rèn)為，選擇切削參數(shù)時(shí)，很重要的一點(diǎn)就是加工時(shí)不能推擠工件材料，否則容易產(chǎn)生加工硬化，給加工造成很大麻煩。Rayco公司通常采用的加工參數(shù)為：切削速度120sfm,進(jìn)給量0.13-0.20mm.
    切削深度也很重要。同樣，適度的切深是最佳選擇。Rayco公司采用的最大切深為0.8-1mm.Rayco公司的鈦合金零件加工批量可高達(dá)200件，但大多是在5-20件之間。Cox表示，Rayco公司也在持續(xù)改進(jìn)工藝，但涉及到切削參數(shù)時(shí)必須小心謹(jǐn)慎，因?yàn)殁伜辖鹣喈?dāng)昂貴，不能蠻干以免導(dǎo)致零件報(bào)廢。鈦合金的價(jià)格上漲很快，去年從47美元/磅上升到了68美元/磅。鈦合金高企的價(jià)格也使工件材料的庫(kù)存緊縮。
    潛水裝備制造商Atomic Aquatics公司的研發(fā)和制造分公司總經(jīng)理Scott Holland表示，用鈦合金加工水下呼吸器時(shí)，“我們總是試圖不斷提高加工效率，以縮短加工時(shí)間、加工更多工件和延長(zhǎng)刀具壽命。”但當(dāng)他們嘗試加工更多零件時(shí)，隨之而來(lái)的是刀具突然折斷。因此，Holland希望能達(dá)到一個(gè)最佳均衡點(diǎn)，但這種均衡并非只是數(shù)字與程序。Holland有近十年的鈦合金加工經(jīng)驗(yàn)，他也依賴(lài)觀察工件和刀具的形態(tài)、傾聽(tīng)切削噪聲來(lái)掌握這種均衡。Holland表示，加工鈦合金也可以比較簡(jiǎn)單，“如果使用鋒利的刀具并按自己估計(jì)的時(shí)間換刀，則只能在有限范圍內(nèi)加工鈦合金。你可以按自己的方式進(jìn)行嘗試，但并不一定奏效。鈦合金的加工有一定的規(guī)律，如果你掌握了這些規(guī)律，就可以得心應(yīng)手。”
    鈦合金日益廣泛的應(yīng)用推動(dòng)了以高效車(chē)削鈦合金為重點(diǎn)的切削技術(shù)發(fā)展。山特維克可樂(lè)滿(mǎn)公司加工管理與技術(shù)支持高級(jí)經(jīng)理Chris Mills強(qiáng)調(diào)，車(chē)削鈦合金時(shí)，化學(xué)磨損是主要的刀具失效機(jī)理，而切削高溫加速了化學(xué)磨損。
   當(dāng)滾燙的切屑劃過(guò)刀具前刀面時(shí)，實(shí)際上會(huì)從刀片中“拔出”鈷。Mills介紹了通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)降低切削溫度的方法：第一步是利用刀具幾何設(shè)計(jì)（如采用帶45°導(dǎo)程角的方刀片或圓刀片）來(lái)減薄切屑厚度，以降低切削溫度，減少由此引起的月牙洼磨損，最終能夠使用較高進(jìn)給率和延長(zhǎng)刀具壽命；第二步是使用具有特殊形態(tài)的高壓冷卻液。這種冷卻液不僅具有高壓力，而且呈現(xiàn)出非常精確的層流噴射形態(tài)，可以在切屑與刀片前刀面之間形成“水楔”,以托起切屑，使其與前刀面的接觸最小化，從而避免產(chǎn)生月牙洼磨損。
    山特維克的這種Jetbreak冷卻系統(tǒng)的壓力為1000-3000psi,采用直徑1.27mm的噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)乳化冷卻液，它不僅具有冷卻作用，而且能產(chǎn)生托起切屑的升力，可降低切屑與前刀面之間的摩擦和溫度。使用該系統(tǒng)可使切削速度提高50%.
    Mills描述了綜合采用上述兩種降溫策略的效果：采用-5°導(dǎo)程角的CNMG刀片以?xún)?yōu)化的切削參數(shù)（切削速度：40m/min,進(jìn)給率：0.3mm/rev）加工鈦合金時(shí)，刀具壽命約為20分鐘；而采用圓刀片或45°導(dǎo)程角的方刀片進(jìn)行加工時(shí)，可將切削速度提高到50-60m/min,進(jìn)給率提高到0.4mm/rev,并可保持類(lèi)似的刀具壽命。由于在相同時(shí)間里可以切除更多的工件材料，僅僅采用方刀片就可使生產(chǎn)率翻番，如果再采用高壓冷卻系統(tǒng)，還可將切削速度再提高50%。
    高壓冷卻液必須通過(guò)機(jī)床主軸內(nèi)部的通道（而不是外部管道）輸送。冷卻液流經(jīng)山特維克Capto快換工具夾頭上的一個(gè)專(zhuān)用連接器，由Capto控制其壓力。在安裝機(jī)床時(shí)，可以很容易地安裝這種高壓冷卻系統(tǒng)。
    對(duì)于經(jīng)常加工鈦合金零件（特別是昂貴的大型航空零部件）的車(chē)間，提高50%的生產(chǎn)率值得他們投資購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)用刀具夾頭和安裝了高壓冷卻系統(tǒng)的機(jī)床。這種高壓冷卻系統(tǒng)在車(chē)削鈦合金時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因?yàn)椴粫?huì)像加工其它工件材料那樣產(chǎn)生月牙洼磨損.