鈦合金銑削加工的技術要點

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:28:59 來源：

　與其他大多數金屬材料加工相比，鈦加工不僅要求更高，而且限制更多。這是因為鈦合金所具有的冶金特性和材料屬性可能會對切削作用和材料本身產生嚴重影響。但是，如果選擇適當的刀具并正確加以使用，并且按照鈦加工要求將機床和配置優化到最佳狀態，那么就完全可以滿足這些要求，并獲得令人滿意的高性能和完美結果。傳統鈦金屬加工過程中碰到的許多問題并非不可避免，只要克服鈦屬性對加工過程的影響，就能取得成功。

　鈦的各種屬性使之成為具有強大吸引力的零件材料，但其中許多屬性同時也影響著它的可加工性。鈦具備優良的強度-重量比，其密度通常僅為鋼的60％。鈦的彈性系數比鋼低，因此質地更堅硬，撓曲度更好。鈦的耐侵蝕性也優于不銹鋼，而且導熱性低。這些屬性意味著鈦金屬在加工過程中會產生較高和較集中的切削力。它容易產生振動而導致切削時出現震顫；并且，它在切削時還容易與切削刀具材料發生反應，從而加劇月牙洼磨損。此外，它的導熱性差，由于熱主要集中在切削區，因此加工鈦金屬的刀具必須具備高熱硬度。
穩定性是成功的關鍵所在

　某些機加工車間發現鈦金屬難以有效加工，但這種觀點并不代表現代加工方法和刀具的發展趨勢。之所以困難，部分是因為鈦金屬加工是新興工藝，缺少可借鑒的經驗。此外，困難通常與期望值及操作者的經驗相關，特別是有些人已經習慣了鑄鐵或低合金鋼等材料的加工方式，這些材料的加工要求一般很低。相比之下，加工鈦金屬似乎更困難些，因為加工時不能采用同樣的刀具和相同的速率，并且刀具的壽命也不同。即便與某些不銹鋼相比，鈦金屬加工的難度也仍然要高。我們固然可以說，加工鈦金屬必須采取不同的切削速度和進給量以及一定的預防措施。其實與大多數材料相比，鈦金屬也是一種完全可直接加工的材料。只要鈦工件穩定，裝夾牢固，機床的選擇正確，動力合適，工況良好，并且配備具有較短刀具懸伸的ISO 50主軸，則所有問題都會迎刃而解——只要切削刀具正確的話。

　但在實際銑削加工中，鈦金屬加工所需的條件不容易全部滿足，因為理想的穩定條件并不總是具備。此外，許多鈦零件的形狀復雜，可能包含許多細密或深長的型腔、薄壁、斜面和薄托座。要想成功加工這樣的零件，就需要使用大懸伸、小直徑刀具，這都會影響刀具穩定性。在加工鈦金屬時，往往更容易出現潛在的穩定性問題。
必須考慮振動和熱

　非理想環境還包含其它因素，其中之一就是大多數機床目前裝配的是IS0
40主軸，如果高強度地使用機床，就無法長時間保持新刀狀態。此外，如果零件結構較復雜的話，通常就不易有效夾緊。當然挑戰還不止于此，切削工序有時必須用于全槽銑、側削或輪廓銑削，所有這些都有可能(但并非必定)產生振動及形成較差的切削條件。重要的是，在設定機床時，必須始終注意提高穩定性以避免振動趨勢。振動會造成刀刃崩碎、刀片損壞并產生不可預見和不一致的結果。一種改進措施便是采用多級夾緊，使零件更靠近主軸以有助于抵消振動。

　由于鈦金屬在高溫下仍能保持其硬度和強度，因而切削刃會遭遇高作用力和應力，再加上切削區中產生的高熱，就意味著很可能出現加工硬化，這會導致某些問題產生，特別是不利于后續切削工序。因此，選擇最佳的可轉位刀片牌號和槽形是加工能否取得成功的關鍵。過去的歷史證明，細晶粒非涂層刀片牌號非常適用于鈦金屬加工；如今，具有PVD鈦涂層的刀片牌號更可大大改進性能。
精度、條件和正確的切削參數

　刀具軸向和徑向上的跳動精度也很重要。例如，如果未將刀片正確地安裝到銑刀中，則銑刀周圍的切削刃會迅速損壞。在切削鈦金屬時，其它一些因素，例如刀具制造公差不良、磨損和刀具受損、刀柄有缺陷或質量差、機床主軸磨損等等，都會在很大程度上影響到刀具壽命。觀察結果表明，在所有加工表現不佳的案例中，80％都是由這些因素所造成。盡管大多數人喜歡選用正前角槽形刀具，但事實上稍帶負前角槽形的刀具能以更高的進給去除材料，并且每齒進給量可達0.5mm。但是這同時也意味著必須保持最佳穩定狀態，即機床應非常堅固，且裝夾應極其穩定。

　除進行插銑(最好使用圓刀片)之外，應盡量避免使用90主偏角，這樣做通常有助于提高穩定性和獲得總體性能，當在淺切深下使用時尤應如此，在進行深腔銑時，一種值得推薦的做法是通過刀具接柄而使用長度可變的刀具，而不是在整個工序中使用單一長度的長刀具。

　調整切削參數以克服因降低每齒進給量而引起的振動是傳統的解決方法，但這種方法并不恰當，因為它會對刀具壽命和切削性能產生災難性影響。可轉位刀片需要一定量的切削刃倒圓，以增加切削刃強度和獲得更好的涂層粘附力。

　在銑削鈦金屬時，要求刀具至少以最小的進給量工作——通常為每齒0.1mm。如果仍有振動趨勢，則刀片損壞或刀具壽命縮短問題將不可避免。可能的解決方法包括精確計算每齒進給量，并確保它至少為0.1mm。

　另外也可降低主軸轉速，以達到最初的進給率。如果使用最小的每齒進給量，而主軸轉速卻不正確，則對刀具壽命的影響可高達95%。降低主軸轉速通常可提高刀具壽命。

　一旦確立了穩定工況，就可相應地提高主軸轉速和進給量來獲得最佳性能。另一種做法是從銑刀中取出一些刀片或選擇含刀片較少的銑刀。

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