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(huì)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(shí)，有引起燃燒的危險(xiǎn)。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(shí)，通過(guò)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(shí)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(guò)許多咨詢鈦合金銑削技術(shù)用戶的技術(shù)顧問(wèn)、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(huì)引起人們的特別關(guān)注呢？至少有兩個(gè)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(dòng)機(jī)零件，而且用于制造醫(yī)療器械中的許多零件。特別對(duì)于某些壯大中的美國(guó)制造企業(yè)，必須向高檔產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，會(huì)經(jīng)常遇到鈦合金零件銑削的技術(shù)難題。 

   另一個(gè)原因是，不是每一個(gè)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(guò)程中切削速度不高時(shí)，通過(guò)什么途徑才能達(dá)到高效率加工成了急待解決的問(wèn)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(gè)重要問(wèn)題，Hoefler先生說(shuō)。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(duì)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(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(guò)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(shì)。因?yàn)樵诟咔邢魉俣认录庸ぃ�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(huì)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(gè)技術(shù)難題，都需要通過(guò)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(gè)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(guò)加大切削深度而不是通過(guò)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(chǎng)上出售的高速鋼刀具還可以經(jīng)過(guò)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(jí)淬火回火)，或者將高速鋼材料經(jīng)過(guò)對(duì)其制造過(guò)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(jià)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(shí)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(wèn)題，尤其要解決好高切削溫度下刀具的耐磨性問(wèn)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(duì)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(duì)保持刀具的綜合機(jī)械性能和當(dāng)溫度增加時(shí)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(duì)涂層還起到一定的保護(hù)作用。鋁分子通過(guò)切削中的加工能量從涂層中釋放出來(lái)，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(shí)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(dòng)較強(qiáng)的場(chǎng)合。這時(shí)就要用到氮化碳鈦(TiCN)，它能防止因振動(dòng)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(shí)，嘗試TiCN 也許是最好的選擇�！盚oefler先生說(shuō)。 

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(shí)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(duì)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(gè)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(guò)“插銑粗加工”(有時(shí)也稱鉆入式粗切)方法，使用一個(gè)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(jī)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�，所以在刀具的每齒進(jìn)給量保持恒定時(shí)，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(shì)，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(shì)必會(huì)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(shuō)，“插銑粗加工是對(duì)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(dòng)措施 

對(duì)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(gè)很重要的技術(shù)難題 — 振動(dòng)。振動(dòng)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(huì)引發(fā)和加大振動(dòng)；另一方面，機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速高低似乎與振動(dòng)無(wú)關(guān)，所以不能找出一種能夠調(diào)諧振動(dòng)的“理想”轉(zhuǎn)速。 

實(shí)際上，振動(dòng)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(shí)，而是發(fā)生在極大的振動(dòng)開始。這就是為什么要建立而且也能建立一個(gè)能及時(shí)控制振動(dòng)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(gè)技術(shù)問(wèn)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(duì)于刀夾，熱脹冷縮型，提供了最佳的解決方案，對(duì)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(jì)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(dòng)。當(dāng)?shù)毒弋a(chǎn)生撓曲變形時(shí)，這個(gè)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(duì)于鈦合金銑削，在刀具切削刃上刃磨出的“棱邊” 也會(huì)起到一個(gè)很好的減震器作用。 

變化各切削刃間的排屑槽空間 對(duì)于這樣一種結(jié)構(gòu)的刀具設(shè)計(jì)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(dòng)。若將銑刀的排屑槽空間設(shè)計(jì)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(gè)切削刃間相距為72°時(shí)，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(jì)的曾獲得專利的又一種防振措施是，將銑刀切削刃設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)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(gè)切削刃切削時(shí)間，即減少了切削刃的加工時(shí)間，延長(zhǎng)了非切削時(shí)間，即增加了切削刃的冷卻時(shí)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(shí)能實(shí)現(xiàn)高速度加工。小徑向切深不會(huì)帶來(lái)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(shí)，即能提高50%的切削速度(sfm)，一般超過(guò)用于重切削時(shí)的額定速度。 
當(dāng)徑向切削深度小于直徑的10%時(shí)，可100%的提高切削速度(sfm)。