鈦合金材料的數控銑削加工技術研究

馮 國，鄭 鑫

（中科院光電技術研究所 精制中心，成都 610209）

1 鈦合金零件的性能特點及其應用

1) 密度小，強度高，它的強度大于高強度鋼。

2) 熱穩定性好，高溫強度高。在300℃～500℃以下，它的強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中工作，其抗蝕性能遠優于不銹鋼，對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力很強。對堿、氯化物、硝酸、硫酸等有著優越的抗腐蝕能力。

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

5) 導熱性差。鈦的導熱系數低，約Ni的1/4，Fe的1/5，Al的1/14.鈦合金的導熱系數更低，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、強度高、無磁性、耐腐蝕和高溫的特點，廣泛用于船舶、航空航天、精密儀器儀表等領域的核心零件。

圖1 鈦合金零件

2 應用舉例

以光學鏡筒的機械加工為例，通過工藝難點分析，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行闡述。

2.1 光學鏡筒零件介紹及加工內容

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，內腔裝光學透鏡，所以零件要求有很高的精度，足夠的強度和一定的密封性。

數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。為了使加工基準與工藝基準、設計基準統一。把加工基準設定在140右端面與￠77圓柱的中心點上。

2.2 鈦合金的切削加工難點

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) 導熱系數低，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而不易散發。

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) 易產生表面加工硬化。由于鈦的化學活性大，易與各種氣體雜質產生強烈的化學反應，導致表層的硬度及脆性上升。在高溫時形成氧化硬層，造成表層組織不均，產生局部應力集中，降低了零件的疲勞強度。切削過程中嚴重損傷刀具，產生缺口、崩刃、剝落等現象。

5) 黏刀現象嚴重。切削時，切屑及被切表面層易與刀具材料咬合，產生了嚴重的黏刀現象。黏刀導致在切削的相對運動過程中，引起劇烈的黏結磨損。

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的刀路，形腔的角落將很光滑。由圖3會發現刀路在具有斜率的地方發生了過切。

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。根據銑刀標準選用￠3立銑刀。

傳統加工采用0.5mm層銑法，它是Z軸作間隙運動，刀具沿XY軸作進給運動。由于在銑削過程中，每個刀齒的切削厚度都比較小，刀齒在極薄的切削厚度下進入切削，刀齒要經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。刀具折斷時因離心力的作用, 刀具在折斷點會發生啃刀，密封槽將失去密封效果，造成零件報廢。

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

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

表1 高速鋼材料與硬質合金材料性能比較

3.1.2 刀具幾何參數的改進

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。標準立銑刀的前角為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，易產生積屑瘤。所以加工鈦合金材料時前角應修磨至2°～6°，以增大容屑空間，減少刀尖附近的切削熱。標準立銑刀的后角為16°，由于后角太大，會降低刀具和刀刃強度。所以加工鈦合金材料時后角應修磨至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，增強刀具和刀刃強度。另外過渡刃應修磨成0.5～1mm圓弧，以保護刀尖。加工鈦合金銑刀的幾何參數如表2所示。

表2 加工鈦合金銑刀的幾何參數

3.2 切削參數的優化

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。由于鈦合金導熱性差、易粘刀產生積屑瘤，所以切削速度較低，以避開積屑瘤和鱗刺的產生；較小的進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，進給量太小會使刀具在硬化層內切削，增加刀具磨損；背吃刀量大可以避免刀尖在硬化層內切削，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。銑削用量參數如表3所示。

表3 試驗優化法得到的銑削用量參數

3.3 走刀方式的選擇

銑削鈦合金時，宜采用順銑。順銑時，由于刀齒切出時的切屑很薄，不易產生積屑瘤，能減小黏結磨損。逆銑正好相反，容易黏屑，當刀齒再次切入時，切屑被碰段，容易使刀具材料剝落、崩刃。但是，順銑時由于鈦合金彈性模量小，容易造成讓刀現象，因此需要光刀一次。順銑時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，會使工作臺突然竄動，發生啃刀。但是數控加工中心進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：

因為刀具為￠6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

在三軸數控銑床上安裝一臺繞X軸旋轉的數控轉臺，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，需要點接觸刀具，選用￠6球頭銑刀進行精加工。

提高表面粗糙度，除了選擇合理的刀具參數、優化的銑削用量及潤滑方式外，數控編程時行距（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重要指標。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。考慮到機床精度，表面Ra1.6，對應的Ry即H=6.3μm，代入式(2)得：

圖9 行距與殘留高度的關系

3.7 密封槽的加工

鉆削式去除材料法是刀具沿Z軸作進給運動，XY軸作間隙運動，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。側向力小，減小工件變形。切削寬度小，產生較薄的切屑，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。有利于發揮機床加工效率，提高刀具壽命，節約生產成本。

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數據

4 結論

1）鈦合金的加工宜采用低轉速、低進給量、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合金銑刀，可以做到質量、效率與成本的平衡。

2）通過計算分析可以得出，斜面的斜率變化會導致球頭刀與斜面切削點的位置改變。

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

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