钛合金高效铣削技术

    钛合金零件的铣削同其它难加工材料的相同之处是，会由于切削速度很小的提高而导致刀具切削刃的较快磨损。 
    不同之处在于，由于钛合金的强度高、粘性大,切削中更容易在切削区产生和积聚热量，加之导热性差，在大切除量的铣削时，有引起燃烧的危险。这就是铣削钛合金零件，一定不能选择高切削速度的原因。 
    但是，钛合金零件加工的速度还是可以提高的。即切削速度保持不变时，通过提高金属去除率的方法提高零件加工速度。实现这一目标不包括使用更大功率或高档机床，而是配备能够充分发挥现有机床切削功能的刀具，它同时还能够对机床的某些不足，如刚性差等进行补偿。 
    Kennametal公司便是一家专注于钛合金铣削工艺试验研究的著名刀具制造商。公司里有一位曾经接待过许多咨询钛合金铣削技术用户的技术顾问、铣削产品经理Brian Hoefler先生。本文重点介绍了他在钛合金铣削方面的丰富经验。
    为什么钛合金的铣削会引起人们的特别关注呢？至少有两个原因，第一，钛合金主要用于高档零件，不仅用于制造飞机机身和发动机零件，而且用于制造医疗器械中的许多零件。特别对于某些壮大中的美国制造企业，必须向高档产品转移，会经常遇到钛合金零件铣削的技术难题。 
    另一个原因是，不是每一个车间都可以实现高进给速度加工，所以钛合金铣削中在材料难以加工，或加工过程中切削速度不高时，通过什么途径才能达到高效率加工成了急待解决的问题，引起制造商的高度重视。 
使用高韧性刀具 
    切削刀具材料的正确选择将是实现钛合金高效铣削加工的第一个重要问题，Hoefler先生说。硬质合金刀具可以是一种正确的选择，而且机加车间经常习惯于把硬质合金当作最好的切削刀具材料，尤其在几乎所有的困难加工中，通常都选择硬质合金。而对于钛合金加工，新一代的高速钢将是良好的硬质合金的替代材料。
    按理说，具有好的耐磨性的硬质合金刀具能在合理加工成本下实行高切削速度。但这一合理加工成本是以刀具必须具有的“很高韧性”或能抵抗冲击，抵抗断裂能力为前提的。但遗憾的是通常使用的硬质合金的脆性远远大于高速钢。 
    这一点在铣削钛合金中，具有非常重要的意义。通常来说，硬质合金刀具失效的主要原因不是切削刃的磨损，而是刀身的破碎。其次，铣削钛合金过程中切削热的升高，也使硬质合金刀具不能发挥高切削速度加工的优势。因为在高切削速度下加工，需要加注大量冷却液，在这一热一冷的交替作用下，刀具和工件间产生强烈的热冲击，会很快引起脆性大的硬质合金刀具切削刃的破碎。以上的两个技术难题，都需要通过刀具本身固有的高韧性加以解决。而普通硬质合金刀具却远不能胜任。切削试验证明，使用一个高韧性的刀具，例如使用高速钢刀具铣削钛合金工件，不必担心引起切削中冲击的产生和切削刃破裂。尤其在较小刚性的机床上加工，高韧性的高速钢刀具可以通过加大切削深度而不是通过提高切削速度实现高金属切削率加工。 
    不仅如此，目前还可提供大范围的高韧性高速钢刀具材料供用户选择。大多数车间并不都知道这一点。他们也不知道，市场上出售的高速钢刀具还可以经过一些特别处理程序，诸如实行增加某种元素成份的高速钢冶炼(如增加钴含量)进行热处理(多次分级淬火回火)，或者将高速钢材料经过对其制造过程进行严格控制，制成金相组织均匀的粉末冶金高速钢等。所以价格昂贵的高钴高速钢、粉末冶金高速钢都是用于高效铣削钛合金的理想刀具材料。  [next]
高切削温度的控制 
    有时侯也可选择硬质合金刀具，采用一种小径向切入法切削钛合金零件，可达到惊人的高速(见《10%与100%》一节)。在这些切削中，刀具不仅要解决好一般情况下的耐磨性问题，尤其要解决好高切削温度下刀具的耐磨性问题，这一点很重要，需要使用涂覆硬质合金刀具进行加工。 
    据Hoefler先生介绍，氮化铝钛(TiAlN)涂层硬质合金刀具，对于加工钛合金通常是最好的选择。在很多基本刀具涂层种类中，TiAlN对保持刀具的综合机械性能和当温度增加时保持刀具的高温切削性能都有很好的作用。实际上，高的切削温度对涂层还起到一定的保护作用。铝分子通过切削中的加工能量从涂层中释放出来，在刀具表面形成一层氧化铝保护层。这一层氧化铝保护层减少了刀具和工件之间的热传递和化学元素的扩散。同时还能在这一保护涂层形成不久，不断补充更多的铝分子，以保持这一形成氧化铝保护层的化学反应继续进行(见《新型富铝涂层》一节)。 
    然而，TiAlN 涂层不适用于振动较强的场合。这时就要用到氮化碳钛(TiCN)，它能防止因振动产生的涂层剥落。“当你使用可换刀片和在一刚度较小的机床上强力切削时，尝试TiCN 也许是最好的选择。”Hoefler先生说。 
更多切削刃参加切削 
    即使在切削中切削速度、铣刀的每齿进给量和切削深度都保持不变，有时也能使生产效率得以提高。这里的解决方案是使更多切削刃参加切削。 
    例如，对于螺旋铣刀，尽可能地选择小螺距刀具(如螺旋玉米立铣刀)。使用这种刀具能使高速钢刀具有更多的切削刃。由于高速钢刀具比硬质合金刀具能够提供更多切削刃，因而前者更多地被采用。 
    另一个使更多切削刃参加切削的方法是采取不同方向进行铣削。通过“插铣粗加工”(有时也称钻入式粗切)方法，使用一个套装铣刀，仿佛沿Z轴钻孔一样，由刀具的端齿与侧齿，共同按汇编好的加工程序，进行搭接式加工。所以生产效率高，排屑也方便。 
    这种方法只能用于粗加工, 因为每两次搭接式加工之间仍都留有一些扇贝状的未加工金属。但是因为插铣粗加工有很多切削刃参加切削，所以在刀具的每齿进给量保持恒定时，每分钟的进给速度能够得到大大提高。再者，插铣粗加工的Z 轴进给的优点还在于能够发挥机床的高刚性优势，这是因为沿主轴的多样性的连接机构(例如刀夹接口)都势必会沿X或Y轴产生挠曲，而在Z轴方向产生压缩，这样使机床在沿Z轴方向有很高的刚度。这意味着可以增大刀具的每齿进给量。 
    Hoefler先生说，“插铣粗加工是对高强度金属高效加工的最好解决方案。建议在钛合金铣削中，都能使用这一加工方案。” 
消除振动措施 
    对于刀具在切削中产生挠曲的原因和使其消除课题的研究也相当重要，因为它将引出一个很重要的技术难题 — 振动。振动在钛合金铣削中，存在两方面的不利因素：一是切削力的产生与增大，都有会引发和加大振动；另一方面，机床的主轴转速高低似乎与振动无关，所以不能找出一种能够调谐振动的“理想”转速。 
    实际上，振动决定着大多数的钛合金铣削加工的生产效率。大量切削试验证明，在钛合金铣削加工中，最大金属切削率的获得，不是在机床输出最大功率之时，而是发生在极大的振动开始。这就是为什么要建立而且也能建立一个能及时控制振动程序的原因。Hoefler先生建议，要提高钛合金铣削加工的生产效率，还必须注意解决好以下几个技术问题：  [next]
    刚度 刀具与刀夹之间的联结，刀夹与主轴之间的联结，都必须使其尽可能地保证足够的刚度。对于刀夹，热胀冷缩型，提供了最佳的解决方案，对于主轴，HSK快换刀夹与普通锥度接口相比，提供了最好的刚度。 
    阻尼 将刀具设计出偏心后角或一带“棱边”的刀头结构， 能提供很好的阻尼，以抑制切削中产生的振动。当刀具产生挠曲变形时，这个有偏心后角的刀具后刀面将与工件接触与摩擦。不是所有的材料都能较好的与工件摩擦，铝合金有粘附趋向。而对于钛合金铣削，在刀具切削刃上刃磨出的“棱边” 也会起到一个很好的减震器作用。变化各切削刃间的排屑槽空间 对于这样一种结构的刀具设计与防振措施，许多车间可能还不太熟悉。刀具在高速旋转中，切削刃有规则地撞击工件，因而产生振动。若将铣刀的排屑槽空间设计成不规则排列，切削试验证明，将能起到很好的减振作用。例如，当铣刀的第一、二两个切削刃间相距为72°时，则第二、三切削刃间则应相距68°，第三、四切削刃间相距75°，为不均匀分布。由Kennametal公司设计的曾获得专利的又一种防振措施是，将铣刀切削刃设计成各不相等的轴向前角，也能取得良好的减振效果。 
新型富铝涂层 
    “Al”分子在TiAlN涂层中是最活泼的，它对涂层刀具的切削性能有很大的影响。它可在刀具表面形成一层氧化铝保护膜。在涂层中，“Al”分子的含量增加，使这一作用更加有效。 
    当然，应该感谢经不断改进的用于生产涂层的气相沉积工艺技术,它可使TiAlN中的“Al”分子含量继续增加，其结果使新形成的TiAlN 涂层，在不牺牲韧性的前提下，极好地提高了涂层(刀具)的红硬性。Kennametal公司已于今年上半年开发出了这种新的富铝TiAlN涂层刀具。 
10%与100% 
    目前一些技术较为超前的车间已能使用硬质合金涂层刀具，采用一种小径向切入法切削钛合金零件，主要的目的在于解决钛合金加工中产生的高切削温度的技术难题。其切削原理是在采用小径向切入法切削过程中，选择比刀具的半径小很多的径向切削深度进行径向切入。由于选择很小的切削深度，就可大大地提高切削速度，其结果是极大地减少了每个切削刃切削时间，即减少了切削刃的加工时间，延长了非切削时间，即增加了切削刃的冷却时间，极好地控制了切削温度。 
    据Kennametal公司的Brian Hoefler先生介绍，采用小径向切入法切削钛合金零件，能极好地控制切削温度，同时能实现高速度加工。小径向切深不会带来高金属去除率，但在工厂中使用该方法，可提高加工精度。 
    由Hoefler先生进行的切削试验证明，在钛合金零件铣削中，采用小径向切入法加工，将遵循以下规律： 
    当径向切削深度小于直径的25%时，即能提高50%的切削速度(sfm)，一般超过用于重切削时的额定速度。 
    当径向切削深度小于直径的10%时，可100%的提高切削速度(sfm)。