鈦合金材料的數(shù)控銑削加工技術(shù)研究

馮 國，鄭 鑫

（中科院光電技術(shù)研究所 精制中心，成都 610209）

1 鈦合金零件的性能特點(diǎn)及其應(yīng)用

1) 密度小，強(qiáng)度高，它的強(qiáng)度大于高強(qiáng)度鋼。

2) 熱穩(wěn)定性好，高溫強(qiáng)度高。在300℃～500℃以下，它的強(qiáng)度約比鋁合金高十倍。

3) 抗蝕性好。鈦合金在潮濕大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼，對點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力很強(qiáng)。對堿、氯化物、硝酸、硫酸等有著優(yōu)越的抗腐蝕能力。

4) 化學(xué)活性大，能與大氣中的O、N、H、CO、CO2、水蒸氣等產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。在600℃以上時(shí)，鈦吸收氧，形成硬度很高的硬化層。H含量上升，也會(huì)形成脆化層。

5) 導(dǎo)熱性差。鈦的導(dǎo)熱系數(shù)低，約Ni的1/4，F(xiàn)e的1/5，Al的1/14.鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)更低，一般為鈦的50%。

6) 彈性模量小。鈦的彈性模量為107800MPa，約為鋼的1/2。

綜上所述，由于鈦合金具有比重小、強(qiáng)度高、無磁性、耐腐蝕和高溫的特點(diǎn)，廣泛用于船舶、航空航天、精密儀器儀表等領(lǐng)域的核心零件。

圖1 鈦合金零件

2 應(yīng)用舉例

以光學(xué)鏡筒的機(jī)械加工為例，通過工藝難點(diǎn)分析，刀具、冷卻液的選擇，不同加工策略的比較等幾方面對鈦合金銑削加工進(jìn)行闡述。

2.1 光學(xué)鏡筒零件介紹及加工內(nèi)容

該零件材料采用TC4，它是a+β鈦合金，為雙相合金。零件是受力件，內(nèi)腔裝光學(xué)透鏡，所以零件要求有很高的精度，足夠的強(qiáng)度和一定的密封性。

數(shù)控銑削需加工外形的圓弧R42.5、119下 端面減重腔、140右端面減重腔及密封槽、外形斜筋及減重腔。為了使加工基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)統(tǒng)一。把加工基準(zhǔn)設(shè)定在140右端面與￠77圓柱的中心點(diǎn)上。

2.2 鈦合金的切削加工難點(diǎn)

1) 彈性模量低，彈性變形大。接近后刀面處工件表面回彈量大，所以已加工表面與后刀面的接觸面積大，刀具磨損加大。

2) 導(dǎo)熱系數(shù)低，切削溫度高。刀具與切削的接觸長度短，使切削熱積于切削刃附近的小面積內(nèi)而不易散發(fā)。

3) 塑性低，硬度高。使剪切角增大，切屑與前刀面接觸長度很小，前刀面單位面積上的切削力大，容易造成崩刃。

4) 易產(chǎn)生表面加工硬化。由于鈦的化學(xué)活性大，易與各種氣體雜質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致表層的硬度及脆性上升。在高溫時(shí)形成氧化硬層，造成表層組織不均，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，降低了零件的疲勞強(qiáng)度。切削過程中嚴(yán)重?fù)p傷刀具，產(chǎn)生缺口、崩刃、剝落等現(xiàn)象。

5) 黏刀現(xiàn)象嚴(yán)重。切削時(shí)，切屑及被切表面層易與刀具材料咬合，產(chǎn)生了嚴(yán)重的黏刀現(xiàn)象。黏刀導(dǎo)致在切削的相對運(yùn)動(dòng)過程中，引起劇烈的黏結(jié)磨損。

6) 斜面清角加工過切。由圖2中M-M視圖可以看到共有10處底面呈斜面的異形腔。在使用等高精加工策略后，形腔的角落不光滑。

圖3 等高精加工效果圖

如果有一條沿形腔輪廓移動(dòng)的刀路，形腔的角落將很光滑。由圖3會(huì)發(fā)現(xiàn)刀路在具有斜率的地方發(fā)生了過切。

圖4 過切示意圖

7) 深圓弧面的加工。由主視圖可知，在三軸機(jī)床上加工R42.5圓弧面（如圖4所示）需要一把底部直徑大于24mm，頂部直徑小于10mm，長度大于129mm的立銑刀。根據(jù)前面對鈦合金的切削加工特性的分析，是完全加工不出的。

圖5 三軸加工R42.5圓弧分析

8) 密封槽的加工。密封槽的尺寸：寬3.8mm、深1.97mm，由于槽寬限制，銑刀直徑只能小于3.8mm。根據(jù)銑刀標(biāo)準(zhǔn)選用￠3立銑刀。

傳統(tǒng)加工采用0.5mm層銑法，它是Z軸作間隙運(yùn)動(dòng)，刀具沿XY軸作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由于在銑削過程中，每個(gè)刀齒的切削厚度都比較小，刀齒在極薄的切削厚度下進(jìn)入切削，刀齒要經(jīng)過一段滑擦才能切削。造成刀具后刀面的磨損，使切削力增大。切削力沿徑向作用于刀具，會(huì)造成刀具彎曲，縮短刀具壽命，這種情況對直徑較小的刀具將更加明顯。再因￠3立銑刀自身剛度差，容易粘刀，散熱性差，易斷刀。刀具折斷時(shí)因離心力的作用, 刀具在折斷點(diǎn)會(huì)發(fā)生啃刀，密封槽將失去密封效果，造成零件報(bào)廢。

3 解決問題的措施

3.1 刀具的選擇

3.1.1 刀具材料的選擇

由于鈦合金強(qiáng)度高、韌性大、粘附性強(qiáng)和導(dǎo)熱性差。粗加工時(shí)，切削用量大，切削力大，切削過程中會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力和振動(dòng)，這就要求刀具具有一定的韌性和抗彎強(qiáng)度。選用W2Mo9Cr4V4Co8材料粗齒高速鋼銑刀，因?yàn)樗捔慷?，所以它具有一定的抗彎?qiáng)度和抗沖擊韌性。再者高速鋼銑刀齒數(shù)少，有較大的容屑空間，便于排屑。但是由于高速鋼銑刀的耐磨、性耐熱性和抗彎強(qiáng)度不如硬質(zhì)合金銑刀，在加工過程中要讓刀。精加工選用GC1030(HC)-S15材料細(xì)齒硬質(zhì)合金銑刀，它是一種主要含碳化鈦，氮化鈦的PVC涂層硬質(zhì)合金立銑刀。具有良好的抗積屑性和抗塑性變形性。在加工過程中同時(shí)參與切削的齒數(shù)多，切削力小，切削過程平穩(wěn)，可以獲得很高的加工表面質(zhì)量。高速鋼材料與硬質(zhì)合金材料性能比較如表1所示。

表1 高速鋼材料與硬質(zhì)合金材料性能比較

3.1.2 刀具幾何參數(shù)的改進(jìn)

由于鈦合金硬度高、彈性模量低，彈性變形大，切屑集中在刀尖附近，使剪切角增大。標(biāo)準(zhǔn)立銑刀的前角為10°～15°，對加工鈦合金材料前角太大，排屑不順暢，不易帶走切削熱，易產(chǎn)生積屑瘤。所以加工鈦合金材料時(shí)前角應(yīng)修磨至2°～6°，以增大容屑空間，減少刀尖附近的切削熱。標(biāo)準(zhǔn)立銑刀的后角為16°，由于后角太大，會(huì)降低刀具和刀刃強(qiáng)度。所以加工鈦合金材料時(shí)后角應(yīng)修磨至6°～12°，以減小后刀面與已加工表面的摩擦，使切削輕快，刀刃磨損減小，增強(qiáng)刀具和刀刃強(qiáng)度。另外過渡刃應(yīng)修磨成0.5～1mm圓弧，以保護(hù)刀尖。加工鈦合金銑刀的幾何參數(shù)如表2所示。

表2 加工鈦合金銑刀的幾何參數(shù)

3.2 切削參數(shù)的優(yōu)化

切削速度對切削刃的溫度影響很大，切削速度越高則切削溫度劇增，切削溫度的高低直接影響刀具壽命。由于鈦合金導(dǎo)熱性差、易粘刀產(chǎn)生積屑瘤，所以切削速度較低，以避開積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生；較小的進(jìn)給量可以提高表面粗糙度，減小彈性變形。但是由于鈦合金易形成氧化硬層，進(jìn)給量太小會(huì)使刀具在硬化層內(nèi)切削，增加刀具磨損；背吃刀量大可以避免刀尖在硬化層內(nèi)切削，減小刀具磨損。還可增加刀刃工作長度，有利于散熱，背吃刀量可選擇D/2但不超過5mm。銑削用量參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)優(yōu)化法得到的銑削用量參數(shù)

3.3 走刀方式的選擇

銑削鈦合金時(shí)，宜采用順銑。順銑時(shí)，由于刀齒切出時(shí)的切屑很薄，不易產(chǎn)生積屑瘤，能減小黏結(jié)磨損。逆銑正好相反，容易黏屑，當(dāng)?shù)洱X再次切入時(shí)，切屑被碰段，容易使刀具材料剝落、崩刃。但是，順銑時(shí)由于鈦合金彈性模量小，容易造成讓刀現(xiàn)象，因此需要光刀一次。順銑時(shí)作用在工作臺上的水平分力與走刀方向相同，由于絲杠與螺母之間有間隙，會(huì)使工作臺突然竄動(dòng)，發(fā)生啃刀。但是數(shù)控加工中心進(jìn)給絲杠與螺母無間隙，這為采用順銑走刀方式提供了方便。

3.4 切削液的配制

切削液選用不含氯的水溶乳化液，它不腐蝕已加工表面。粗加工需要利用切削液帶走大量的切削熱，保證切削刃強(qiáng)度，減少刀具磨損，以冷卻為主，按比例配制成5%的濃度。精加工為提高已加工表面質(zhì)量，減小切屑與前刀面之間摩擦角，增大剪切角以減小銑削力，以潤滑為主，按比例配制成10%的濃度。

3.5 斜面清角加工過切問題的解決──刀心軌跡偏移法

圖6 刀心軌跡偏移法示意圖

如圖6(a)所示，在△aob中ob= Sin(θ-90°)R所以過切量G的公式為：

因?yàn)榈毒邽椤?球刀所以R=3mm，圖示θ=180°-30°=150°代入式（1）得：

為此必須把刀具中心軌跡沿斜面法向偏移0.402mm，過切問題得以解決，如圖6(b)所示。

3.6 深圓弧面的加工

在三軸數(shù)控銑床上安裝一臺繞X軸旋轉(zhuǎn)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺，在A軸上加工，如圖7所示。

圖7 A軸加工

由于R42.5圓弧面兩端要清根，所以選擇￠10立銑刀在A軸上加工。但是由于立銑刀有1°～2°的副偏角k′r，所以加工后表面粗糙度達(dá)不到圖紙要求（如圖8所示）。

圖8 副偏角對表面粗糙度的影響

為消除副偏角對表面粗糙度的影響，需要點(diǎn)接觸刀具，選用￠6球頭銑刀進(jìn)行精加工。

提高表面粗糙度，除了選擇合理的刀具參數(shù)、優(yōu)化的銑削用量及潤滑方式外，數(shù)控編程時(shí)行距（橫向行距）的選取決定了殘留高度的大小，殘留高度是表面粗糙度一個(gè)重要指標(biāo)。殘留高度主要控制輪廓最大高度Ry。

如圖9所示在△aob中，oa=SQR｛R -(R-H) ｝

所以行距的計(jì)算公式為：

其中, R為球頭銑刀半徑，H為殘留高度。

因刀具為￠6球刀所以R=3mm，圖紙要求表面Ra3.2?？紤]到機(jī)床精度，表面Ra1.6，對應(yīng)的Ry即H=6.3μm，代入式(2)得：

圖9 行距與殘留高度的關(guān)系

3.7 密封槽的加工

鉆削式去除材料法是刀具沿Z軸作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，XY軸作間隙運(yùn)動(dòng)，快速大量地去除材料。切削力沿軸向傳人主軸，能有效刀具保護(hù)。側(cè)向力小，減小工件變形。切削寬度小，產(chǎn)生較薄的切屑，這些切屑能從切削刃上帶走大量切削熱。后刀面與已加工表面摩擦小，切削輕快，刀刃磨損小。有利于發(fā)揮機(jī)床加工效率，提高刀具壽命，節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖10 鉆削式去除材料法加工密封槽

圖11 加工完成后的零件

表4 分層銑削加工與鉆削式去除材料法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

1）鈦合金的加工宜采用低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給量、大吃刀量。粗加工用含鈷的高速鋼銑刀，精加工用含碳化鈦的涂層硬質(zhì)合金銑刀，可以做到質(zhì)量、效率與成本的平衡。

2）通過計(jì)算分析可以得出，斜面的斜率變化會(huì)導(dǎo)致球頭刀與斜面切削點(diǎn)的位置改變。

3）加工切削性能差、切削加工困難的窄槽時(shí)，鉆削式去除材料法是最佳的加工方案。

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