鈦合金零件的車削加工

    鈦合金具有的特殊性能使其應用領域越來越廣泛。很高的強度/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，鈦合金零件的車削加工卻非常困難，令機械工藝師們望而生畏，他們認為，鈦合金的超級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削加工策略，對機械工藝師們加工這種用途廣泛（如賽車零件、水下呼吸裝置等）的難加工材料以及應用新的切削技術將有所幫助。
    鈦合金生產商--RTI國際金屬公司的高級項目專家BillHeadland指出，雖然許多加工車間將鈦合金加工視為畏途，但實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。鈦合金的牌號很多，有些牌號加工難度極大，而另一些牌號卻并非如此。商用純鈦（CP牌號）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牌號具有卓越的抗腐蝕性，且相對而言較易加工。但與其它鈦合金相比，其強度很低，且又粘又軟。
    在純鈦中加入合金后，改變了其晶相（晶體結構），也改變了材料的特性和機械加工性。α鈦合金和準α鈦合金中包含了如鎳、鋁、釩等添加成份。這些中間牌號鈦合金的可切削性相當不錯。α-β鈦合金牌號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，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牌號鈦合金是最難以加工的牌號之一。由于具有高的斷裂韌性和優(yōu)異的抗高周期疲勞性能，β牌號的機械加工性與Hastelloy鎳基合金及類似材料相近，其典型的應用實例是制造輕型彈簧，用于觸發(fā)水下發(fā)射戰(zhàn)術導彈的可折疊尾翼。
    各種鈦合金呈現出各不相同的切削性能。有人認為，加工一個Ti6Al4V工件所需的時間通常是加工一個鋼件的三倍；而有人說，加工一個Ti5553難加工β牌號工件所需的時間則是加工一個Ti6Al4V工件的兩倍。
    在車削加工中，鈦合金最重要的特性就是熱傳導性差。由于切削時產生的高溫很難被工件吸收而聚集于刀具切削刃上，過多的熱量促使切削刃與切屑之間發(fā)生化學反應并產生月牙洼磨損。
    鈦合金還具有加工硬化趨勢，因此，通過剪切而不是擠壓去除金屬至關重要。此外，雖然鈦合金具有很高的強度，但同時也具有較低的彈性模量，這就意味著與其它材料相比，鈦合金相對更具彈性且更容易離開切削刃（尤其在輕載切削時）。綜合考慮鈦合金的這些特性，為了成功實現鈦合金的車削加工，關鍵是必須實現切削速度、進給率和切削深度的平衡。
    切削速度是影響切削熱產生的首要因素。山特維克可樂滿的車削專家StefanGyllengahm曾經花了三年半時間為工具制造商開發(fā)刀具牌號。在此期間，他在實驗室進行了Ti6Al4V的切削試驗，結果表明，切削速度的選擇必須十分小心：在某些情況下，當切削速度提高10%-15%,則刀具壽命會從40件下降為6件，這表明切削速度的調整幅度過大。他還發(fā)現，當以不會縮短刀具壽命的切削速度進行車削時，如果提高進給率，則會達到一個有損刀具壽命的臨界溫度，因為存在一個熱量過多的極限范圍。
    刀具幾何形狀在控制切屑形態(tài)以散熱方面起著關鍵作用。較寬和較薄的切屑擴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°標準導程角的C型（80°）金剛石刀片進行粗加工時，切屑厚度與進給率大致相等；而采用安裝導程角為45°的正方形刀片則可以使被切除的金屬（以及切削熱）沿著較長的切削刃擴散。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）。Gyllengahm表示，通常在切深較小時，采用圓刀片可獲得很薄的切屑。但是，考慮到具有12.7mm內切圓的圓刀片在切深大于2mm時其有效導程角會減小，因此最好使用方刀片，因為在相同的切深下，方刀片仍然具有45°導程角。
    Bill Skoretz是Patriot Forge公司加工分部的經理，該公司提供從低合金鋼、不銹鋼到特殊牌號鋁合金、鈦合金等各類原材料，有時也會為公司的客戶加工鈦合金零件。當討論車削鈦合金所面臨的挑戰(zhàn)時，他重點回顧了車削軋鋼機用冷卻液噴頭的經歷。這種耐腐蝕的鈦合金牌號具有磨蝕性。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小，刀具就會開始產生拉力，從而帶來很多問題。因此，必須在刀具頭部正的幾何角度與對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)展現狀。在開發(fā)出硬質合金刀具之前，主要采用高速鋼刀具來切削鋼材。硬質合金刀具的出現使采用正的幾何角度成為可能，但機床必須具有足夠的功率。負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，如果刀片的正前角過大，也會對鈦合金材料形成拉力。因此，必須在壓應力與拉應力之間找到平衡。他提到過去曾使用過在切削刃上制備有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，因為它維持不了多久。”他在加工中還采用了油基切削液，但主要是利用其潤滑特性而不是冷卻能力。
    其他加工車間也有不同的鈦合金車削方法，因為任何材料的去除加工都存在各種不同的解決方案。
    Rayco Machine公司有30%的業(yè)務是加工賽車零件，其中有許多是價格昂貴的鈦合金零件，因為頂級賽車隊愿意為重量輕、強度高的零件支出額外費用，以使他們的賽車保持在規(guī)則允許的最小重量但同時仍能對其整個車身重量的分布保持控制。例如，減小旋轉部分和非懸掛部分（如車輪和剎車部件）的質量可以有效提高加速度和操控性能。Rayco公司車削加工的鈦合金零件中包括運行于制動鉗與轉子之間的零件。
    與Skoretz一樣，Rayco公司總裁Greg Cox也表示，為了成功地車削鈦合金，需要采用均衡兼顧的方法。他認為，選擇切削參數時，很重要的一點就是加工時不能推擠工件材料，否則容易產生加工硬化，給加工造成很大麻煩。Rayco公司通常采用的加工參數為：切削速度120sfm,進給量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)改進工藝，但涉及到切削參數時必須小心謹慎，因為鈦合金相當昂貴，不能蠻干以免導致零件報廢。鈦合金的價格上漲很快，去年從47美元/磅上升到了68美元/磅。鈦合金高企的價格也使工件材料的庫存緊縮。
    潛水裝備制造商Atomic Aquatics公司的研發(fā)和制造分公司總經理Scott Holland表示，用鈦合金加工水下呼吸器時，“我們總是試圖不斷提高加工效率，以縮短加工時間、加工更多工件和延長刀具壽命。”但當他們嘗試加工更多零件時，隨之而來的是刀具突然折斷。因此，Holland希望能達到一個最佳均衡點，但這種均衡并非只是數字與程序。Holland有近十年的鈦合金加工經驗，他也依賴觀察工件和刀具的形態(tài)、傾聽切削噪聲來掌握這種均衡。Holland表示，加工鈦合金也可以比較簡單，“如果使用鋒利的刀具并按自己估計的時間換刀，則只能在有限范圍內加工鈦合金。你可以按自己的方式進行嘗試，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，就可以得心應手。”
    鈦合金日益廣泛的應用推動了以高效車削鈦合金為重點的切削技術發(fā)展。山特維克可樂滿公司加工管理與技術支持高級經理Chris Mills強調，車削鈦合金時，化學磨損是主要的刀具失效機理，而切削高溫加速了化學磨損。
   當滾燙的切屑劃過刀具前刀面時，實際上會從刀片中“拔出”鈷。Mills介紹了通過兩個步驟來降低切削溫度的方法：第一步是利用刀具幾何設計（如采用帶45°導程角的方刀片或圓刀片）來減薄切屑厚度，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給率和延長刀具壽命；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，從而避免產生月牙洼磨損。
    山特維克的這種Jetbreak冷卻系統的壓力為1000-3000psi,采用直徑1.27mm的噴嘴和標準乳化冷卻液，它不僅具有冷卻作用，而且能產生托起切屑的升力，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°導程角的CNMG刀片以優(yōu)化的切削參數（切削速度：40m/min,進給率：0.3mm/rev）加工鈦合金時，刀具壽命約為20分鐘；而采用圓刀片或45°導程角的方刀片進行加工時，可將切削速度提高到50-60m/min,進給率提高到0.4mm/rev,并可保持類似的刀具壽命。由于在相同時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率翻番，如果再采用高壓冷卻系統，還可將切削速度再提高50%。
    高壓冷卻液必須通過機床主軸內部的通道（而不是外部管道）輸送。冷卻液流經山特維克Capto快換工具夾頭上的一個專用連接器，由Capto控制其壓力。在安裝機床時，可以很容易地安裝這種高壓冷卻系統。
    對于經常加工鈦合金零件（特別是昂貴的大型航空零部件）的車間，提高50%的生產率值得他們投資購買專用刀具夾頭和安裝了高壓冷卻系統的機床。這種高壓冷卻系統在車削鈦合金時具有獨特優(yōu)勢，因為不會像加工其它工件材料那樣產生月牙洼磨損.