航天裝備制造刀具選用技巧

鄒峰，張?zhí)鹛?，張?/p>

1. 湖北三江航天紅林探控有限公司 湖北黃石 435003

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國家級技能大師 鄒峰

1 序言

隨著鎳基高溫合金、鈦合金等難加工材料在航天產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用，針對難加工材料加工方法的研究越來越多，提高加工效率和加工質(zhì)量，成為制造業(yè)的主攻方向[1]。

在研究航天產(chǎn)品難加工材料加工方法時發(fā)現(xiàn)，選擇合適的刀具是解決難加工材料加工難題的關(guān)鍵一步，在優(yōu)化工藝方案、合理進行刀具配置的同時，必須根據(jù)加工零件的形狀特點和材料特性進行正確的刀具選擇，才能取得最佳的加工效果，使零件加工質(zhì)量符合設(shè)計要求。

2 鎳基高溫合金銑削刀具選用技巧

2.1 材料特性

以某鎳基高溫合金材料為例，材料化學(xué)成分及性能特點分別見表1、表2[2]。

表2 某鎳基高溫合金力學(xué)性能

2.2 刀具選用技巧

（1）刀具特性 鎳基高溫合金銑削刀具需要具備的特性如下。

1）刀具的耐熱性要高。耐熱性是指刀具材料在高溫條件下保持一定的硬度、耐磨性、強度和韌性的性能，是加工鎳基高溫合金的重要參數(shù)，在相同條件下，鎳基高溫合金的切削溫度是鋼材的2倍。

2）刀具鋒利且有足夠高的硬度和耐磨性。鎳基高溫合金有大量合金元素和硬質(zhì)點，加工硬化現(xiàn)象嚴重，塑性變形大，且切削抗力大，是鋼材的2倍，表面硬化程度可達本身材料的2倍。

3）刀具材料與鎳基高溫合金的親和力要低。

（2）技術(shù)要求 鎳基高溫合金銑削刀具選擇時的技術(shù)要求如下。

1）銑刀刀齒的強度是第一優(yōu)先等級，選擇刀齒強度高、不易崩刃的銑刀。

2）銑刀切削時應(yīng)盡量減小切屑長度，有效控制切屑狀態(tài)，可以適當選擇齒數(shù)多的銑刀，以減小切削力。

3）選擇適合加工鎳基高溫合金的刀具幾何參數(shù)，可以減小切削力，保證有效排屑?？蛇x擇正前角刀具，取較大的后角，采用45°螺旋角、不等齒距和變?nèi)袃A角進行銑削。

4）選擇合適的整體硬質(zhì)合金基體材料及涂層。

銑削刀具要具有足夠的刀尖強度、韌性和耐磨性，故涂層應(yīng)選用PVD涂層，避免切屑撞擊刀具時造成崩刃現(xiàn)象。銑削刀具如圖1所示，L1為刀具標準長度，L2為避空長度，L3為刀具整體長度，均采用國際公認的標準長度。

圖1 銑削刀具

（3）內(nèi)型銑刀選用技巧 整體硬質(zhì)合金立銑刀通常的使用方式是側(cè)銑與端銑，都是開放式加工，對切屑形狀和排屑并沒有特殊和太高的要求，但加工封閉的內(nèi)孔時對排屑要求高，切屑形狀、排屑是影響加工質(zhì)量和刀具壽命的主要因素。內(nèi)孔加工時，需采用螺旋插補方式進行銑削，避免產(chǎn)生較長的切屑，金屬去除率高，因而在優(yōu)化選擇整體硬質(zhì)合金銑刀時，要達到封閉內(nèi)孔加工的銑削要求。

1）通過對切屑形狀與銑刀槽型的反復(fù)對比和切削試驗，結(jié)合鎳基高溫合金的銑削特點，最終確定銑刀槽型選擇為錐形變槽深式容屑槽，其切削力、切削溫度和切屑形狀（C形屑），相比其他標準整體硬質(zhì)合金銑刀都得到了極大改善。

2）通過對45°、38°、30°、25°和20°螺旋角銑刀進行大量的切削試驗，最后確定選擇35°與40°的雙不等螺旋角，其排屑性能最好。

3）采用不等距齒和變?nèi)袃A角結(jié)構(gòu)的銑刀，改善了切削性能和銑削平穩(wěn)性。

（4）外部型面銑刀使用技巧 使用銑刀對零件外部型面加工時，應(yīng)采用擺線加工的銑削方式，但因整體硬質(zhì)合金銑刀加工零件時，刀具壽命短，加工硬化嚴重，切削力大，零件尺寸和表面質(zhì)量不易保證，故需要對整體硬質(zhì)合金刀具的幾何角度進行合理的優(yōu)化選擇。

1）刀具幾何角度選擇背寬0.8～0.9mm，前角6°～8°，螺旋角45°，刃傾角-3°，并采用圓弧后角，以保證刀具刃口有足夠的強度。

2）外部型面加工屬于開放加工模式，排屑可不受零件形狀約束，故可適當選擇齒數(shù)為5～7齒或更多齒數(shù)的銑刀，以有效利用切削刃數(shù)量，提高刀具使用壽命和加工效率。

3）外部型面銑刀的切削刃和底刃選擇經(jīng)過超精細金剛石砂輪精磨的，以提高銑刀表面質(zhì)量，使排屑更加順暢，能最大限度發(fā)揮機床切削功率的使用效率，提高金屬去除率。

2.3 刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)選擇

依據(jù)鎳基高溫合金加工用銑削刀具的特性，銑削刀具幾何參數(shù)見表3，切削參數(shù)見表4。

表3 銑削刀具幾何參數(shù)

表4 銑削刀具切削參數(shù)選擇

3 鈦合金數(shù)控加工刀具選用

3.1 材料特性及加工難點

以TC4鈦合金為例，其物理機械特性見表5[3]。

表5 TC4鈦合金物理機械特性

從表中的物理機械特性參數(shù)可以看出，鈦合金加工時主要存在3個技術(shù)難點。

1）鈦合金彈性模量較低，在切削力作用下，零件已加工表面容易產(chǎn)生回彈，引發(fā)刀具切削時產(chǎn)生振動，后刀面磨損加劇，直接影響零件的尺寸精度和表面質(zhì)量。

2）鈦合金熱導(dǎo)率和比熱容都非常低，切削鈦合金時，切屑與刀具前刀面接觸長度短，使切削熱大量（約75%）集中在切削刃附近的小面積內(nèi)而不易散發(fā)，導(dǎo)致這一區(qū)域切削溫度過高，加快了刀具的磨損；同時，鈦又是化學(xué)親和力極強的元素，容易在加工表面形成加工硬化層，使刀具磨損加快。

3）鈦合金切削時容易與刀具發(fā)生粘結(jié)，切削溫度高易產(chǎn)生積屑瘤，直接影響零件尺寸及表面質(zhì)量，甚至可能會引起刀具折斷。

3.2 鈦合金車削刀具的選用技巧

（1）加工刀具及幾何參數(shù)選擇 根據(jù)鈦合金的加工特點和實際加工存在的問題，最終選擇的刀桿及刀片見表6，刀具幾何參數(shù)見表7。

表6 常用刀桿及刀片

表7 刀具幾何參數(shù)

（續(xù)）

（2）切削參數(shù)選擇 根據(jù)零件材料、尺寸精度和表面粗糙度的要求，以表面粗糙度值計算公式Ra＝50f2/rε（f為進給量，rε為刀尖圓弧半徑）的計算值為基礎(chǔ)，結(jié)合刀具手冊上推薦的切削參數(shù)值，確定了刀具的切削參數(shù)，見表8。

表8 刀具切削參數(shù)選擇

4 微小孔鉆削刀具選用

4.1 微孔鉆的定義

通常情況下，直徑1m m以上的鉆頭稱為小孔鉆，1mm以下的鉆頭稱為微孔鉆（見圖2）。微孔的加工難度大，是國內(nèi)外公認的加工難題。微孔鉆的加工方法按加工原理可分為機械加工和特種加工兩大類，據(jù)統(tǒng)計，根據(jù)微孔不同的被加工材料、精度、表面粗糙度、尺寸及形狀等基礎(chǔ)條件，大約有50多種加工微孔的方法，例如化學(xué)、激光、麻花鉆、等離子束和磨料等。

圖2 微孔鉆

當孔的精度要求高且深度較深時，采用麻花鉆鉆削微孔，在經(jīng)濟性和精度上具有較明顯的優(yōu)勢，故使用麻花鉆鉆削微孔是微孔機械加工中最常用的加工方法。但由于加工微孔的微型鉆頭細小，剛性差，強度低，橫向穩(wěn)定性不好，容屑空間小，散熱效果差，易折斷，壽命低，因此微孔鉆與普通鉆頭在選用和使用上有著本質(zhì)的區(qū)別。

4.2 微小孔鉆削刀具選用技巧

以鉆頭直徑0.06～0.2mm的微孔鉆為例，其選用技巧如下。

1）微型鉆頭的幾何形狀多為階梯型鉆頭，這種幾何形狀可有效增加刀具剛性，防止切削部分擺動，便于制造和裝夾。

2）刀具夾頭和夾筒的精度要求高，因為任何徑向圓跳動誤差都會對微型鉆頭產(chǎn)生很大的影響。

3）微型鉆頭的基體材料多為含鈷粉末高速鋼和硬質(zhì)合金，也有采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的，如在鉆頭前端增加金剛石、立方氧化硼，刀具外部涂有TiC、PCD涂層等模式。

4）微型鉆頭一般的鉆孔深度為直徑的10～15倍，孔徑的圓度誤差可以控制在0.0025mm以內(nèi)。

4.3 微小孔鉆削刀具使用方法

1）微孔鉆加工時，由于形成的切屑很小，甚至為粉末狀，因此傳入切屑的切削熱不多，可采用油霧和壓縮空氣的方式來輔助排屑和冷卻鉆頭。

2）微型鉆頭鉆削時，一般采用“啄擊”式鉆削方式，但鉆削較深的微孔時，可采用暫停進給方式進行斷屑，而沒有必要將鉆頭完全退出工件外。若完全將鉆頭退出工件外，有可能使孔徑產(chǎn)生圓度誤差形成喇叭口，或使切屑殘留孔內(nèi)造成鉆頭折斷。

3）微型鉆頭加工零件時，最好以垂直角度切入工件，但如果遇到需要在斜面上打孔的情況，一種方法是可以采用帶有B軸的數(shù)控機床，另一種方法是在斜面上預(yù)先用中心鉆打孔或用銑刀預(yù)銑出一小段平面。

4）機床進給軸要具有足夠的靈敏度和足夠小的分辨力，主軸精度高，剛性好，穩(wěn)定性好，振動小，能以很小的動態(tài)徑向圓跳動高速旋轉(zhuǎn)（>50000r/min），因此加工前必須做動平衡檢測。

5）微孔鉆選用時必須與被加工材料相互匹配，根據(jù)被加工材料來選擇鉆頭尖部的幾何形狀，制定合理的切削參數(shù)，以便充分發(fā)揮微孔鉆的最大加工效率。

6）微孔鉆鉆削工件時，剛開始切入的進給量，要遠遠低于隨后切入工件的正常進給量，如鈦合金、高溫合金加工時，初次切入進給量為0.002mm，正常進給量為0.005mm。

5 結(jié)束語

通過介紹整體硬質(zhì)合金銑削、車削和微孔鉆削3類刀具在典型難加工材料上的使用技巧，為難加工材料提供了新的加工思路和方法。由此形成的刀具選用理念是：難加工材料加工技術(shù)難題的解決，應(yīng)當建立在刀具對被加工材料的適用性、先進性、可靠性和多功能性等基礎(chǔ)之上，再系統(tǒng)綜合考量諸多要素。經(jīng)多批次、多類型難加工材料工件的加工試驗，結(jié)合本文技巧選擇出的刀具，加工出的零件質(zhì)量和尺寸精度完全符合設(shè)計要求，刀具選用方式可在鎳基高溫合金和鈦合金等難加工材料上推廣使用。