鈦合金銑削刀具設計方法研究

袁華， 師潤平

（1.順德職業技術學院機電工程學院，廣東佛山528333；2.深圳市航天精密刀具有限公司，廣東深圳518004）

鈦合金銑削刀具設計方法研究

袁華1， 師潤平2

（1.順德職業技術學院機電工程學院，廣東佛山528333；2.深圳市航天精密刀具有限公司，廣東深圳518004）

鈦合金屬典型的難加工材料，文中從介紹鈦合金的加工特點入手，提出一種新的鈦合金銑刀設計方法，加工實踐表明，該銑刀可提高切削效率及刀具壽命，改善鈦合金切削加工困難狀況。

鈦合金加工；刀具；設計；幾何參數

0 引言

目前國內已有部分刀具企業開始研制鈦合金高速銑刀，但還不能提供成熟的高速銑刀產品系列，仍大量依靠進口。結合高強度鈦合金的切削性能特點，通過對鈦合金高速銑刀基體材料及幾何參數分析，本文具體討論了鈦合金硬質合金高速銑刀的設計機理和方法。

1 鈦合金性能特點及切削問題

1.1 鈦合金性能特點

鈦合金具有強度高、密度小的優良特性，以及熱強性好，耐腐蝕、耐高溫的良好物理力學特性。在承受同樣的載荷時，鈦合金可以減輕產品重量。鈦合金的熱穩定性好，在300～500°C的高溫下，強度比鋁合金高10倍。鈦合金導熱性低，遠遠低于鐵和鋁，加工時熱量容易聚集在一起，切削溫度升高。此外，鈦合金彈性模量小，受力時容易產生切削變形。鈦合金性能優越，其在航空航天領域，如飛機構件、發動機外殼等部件中得到廣泛應用。我國鈦資源豐富，鈦合金發展前景廣闊。與此同時，鈦合金的物理力學特點使其切削困難，加工難度大，刀具壽命低，為典型難加工材料之一。

1.2 鈦合金切削特點

鈦合金的性能特點使其加工困難，成為其廣泛應用的阻礙，主要有以下幾方面的表現［1］：

1）切屑變形系數小。鈦合金切屑變形系數約為碳鋼的1/3，這樣容易導致切屑在前刀面上的滑動路程延長，加劇了刀具表面磨損，刀具壽命縮短。

2）導熱性低，切削溫度提高。由于鈦合金導熱性能僅為鋼的1/5，鋁合金的1/16，這樣切削熱聚集在一起不易散發，使切削溫度顯著升高，是同樣條件下45鋼的一倍以上，從而惡化了加工狀況，導致刀具磨損加劇。

3）鈦合金摩擦系數大，摩擦速度高。鈦合金切削時與刀具間的摩擦系數大于碳鋼，切屑的摩擦速度很高，在高溫下容易產生粘刀現象，導致刀具磨損加快，刀具壽命降低。

4）鈦合金彈性模量僅為碳鋼的一半，加工過程容易產生較大的切削變形和彈性回復，加快了刀具磨損。同時，彈性變形的加大容易造成加工振動，影響表面加工質量。

2 鈦合金切削的刀具設計

為解決鈦合金加工困難的問題，我們研制了一種新型刀具，這種刀具設計突破了以往切削加工的缺陷，從刀具材料、刀具幾何參數到刀具的制造工藝都與以往的設計有明顯的改進。

2.1 鈦合金高效銑刀刀具材料選擇

在選擇鈦合金刀具材料時，應優先考慮能降低切削溫度、減小刀具磨損的材料。同時還應注意選擇具有較高的強度與韌性、較高的硬度與耐磨性及優異的耐熱性的材料。

硬質合金刀具材料具有可以降低成本，提高生產率的優點，是鈦合金刀具材料的首選。注意不宜使用YT類合金，因為此類合金在高溫下容易與鈦合金親和，導致刀具磨損加快。應盡可能使用不易與鈦合金親和的YG類合金，此類合金導熱性好，強度較高，如YG3、YG6、YG8、等［2］。在硬質合金顆粒度大小方面，普通的硬質合金顆粒度為3～5μm，較小的硬質合金顆粒度在0.5～1.5μm之間，而超細合金顆粒度為0.5μm以下，比相同成分的硬質合金硬度和強度更高。本文設計的鈦合金銑刀采用了超細顆粒硬質合金，保證了刀具足夠的剛度和強度，同時抗沖擊性也得到了較大的提高。

2.2 銑刀的齒形設計

由于鈦合金強度較高，刀具在切削中需要承受較大的切削力和力矩，對刀具材料的強度和韌性要求較高。在圖1銑刀設計中，采用了變芯厚的槽型設計，在前面20mm的長度里，芯厚為在前20 mm內，芯厚為10.5 mm，較小的芯厚可增大容屑的空間，有利于切屑排出。在后20 mm內，芯厚增加到14 mm，使得刀具的強度增加，更有利于切削加工。

圖1 鈦合金銑刀設計

普通銑刀一般采用等齒距設計，即各個齒形等距離地分布在圓周上，銑削時每個輪齒的進給量相同，導致輪齒所承受切削力的波形和相位也完全相同，引起整個機床系統的諧振。由于刀具振動，工件表面質量差，刀齒易崩刃。本銑刀創新采用了非等齒距設計，使刀齒間的受力及波形不再相同，呈一個合理的分配關系，從而消除了機床系統間的諧振，刀具表面不易再發生振動，加工質量大大提高。

2.3 銑刀的幾何參數設計

設計鈦合金切削刀具切削角度等幾何參數須遵循下述基本原則［3］：

1）刀具的前角與后角。鈦合金切削時，切削力和切削熱通常集中在刀刃附近，為了增大前刀面距離，更有利于散熱，這時一般設計采用較小的5°～10°的前角。

鈦合金因彈性模量小，切削時發生的彈性變形大，一般采用較大的后角，這樣可以減少后刀面的摩擦。但從刀具的壽命考慮，太大或太小的刀具后角都不利于刀具壽命的提高。在實際生產過程中總有一個最適合的刀具后角，在此大小下，刀具后角最為合理。

與傳統的鈦合金銑刀設計不同，本文設計的鈦合金銑刀采用了超越常規的13°前角、9°圓弧后角，這樣刀具切削刃的刃口鋒利，只要較小的變形就可切下切屑，可有效地減小切削力和切削熱，更有利于切削的順利進行。而采用圓弧形狀的后角，不僅可以增強刀具的強度，刀具的后刀面與加工表面的摩擦力也大大減小，加工質量提高，刀具耐用度大大增加。

2）銑刀的刃口設計。刀尖由于強度差，熱量不易散發，是整個刀具中切削力與切削熱最集中的部位。又由于所受切削力最大，容易產生崩刃，降低刀具壽命。鈦合金刀具中的刀尖設計，要避免把刀具磨成尖角或直線狀，而應采用圓弧形態過渡刃，以增加刀尖刃口強度。

在該刀具的工藝設計中包含刃口鈍化工序，刀具刃口鈍化后，在切削時刃口的抗沖擊能力大大增強，刃口鈍化后還能起到減振的作用，提高了工件加工表面質量。

3 鈦合金銑刀的制造工藝要求

1）銑刀的制造精度與設備要求。在對外圓進行磨削時，應該保證刀具棒料的圓柱度、表面粗糙度與刀具的徑向及軸向圓跳動2～5 μm以內。要完成刀具的最終幾何形狀要求，需要精度高、性能領先的數控機床。從國外進口的專用工具數控磨削中心可滿足要求。

2）刃口鈍化處理工序。銑刀制造的最后一道工序是刃口鈍化，通過鈍化處理可得到光滑的圓弧形刃口。

3）刃磨質量。提高刀具刃磨質量可以有效減少刀具磨損，提高加工效率。鈦合金銑刀應該使用金剛石砂輪進行刃磨，保證刃口的鋒利及表面光潔，刃口部分不允許出現裂紋與缺口，從而提高刀具磨損能力，增加刀具強度與提高加工效率［4］。

4 結語

本文主要從鈦合金機械性能、刀具基體材料及刀具結構設計等方面入手，介紹了鈦合金專用刀具在基體選材、結構設計、制造加工方面的要點及相關注意事項。該項研究已經在生產中得到應用。

鈦合金材料在航空航天、兵器制造領域的應用日益廣泛，對其切削加工性能的研究越來越受人關注。如何才能發揮機加工設備性能，提高加工效率，與機床設備、工裝夾具、切削參數、冷卻系統等多方面因素有關，其中優化刀具設計，提升刀具切削性能是重中之重。

［1］ 孫鳳池，王龍山，于俊一．機械加工工藝手冊：第二卷：加工技術卷［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］ 宋學鋒.鈦合金切削的刀具問題及對策［J］.機械工程師，2009（12）：129-131.

［3］ 陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［4］ 鄭文虎，張玉林，詹明榮.難加工材料加工技術問答［M］.北京：北京出版社，2001.

（編輯：啟 迪）

Research on Design Method of Milling Cutters for Titanium Alloy

YUAN Hua1,SHI Runping2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Shunde Polytechnic，Foshan 528333,China；2.Shenzhen Aerospace Precision Tool Co.,Ltd.，Shenzhen 518004，China）

Titanium alloy is a typical difficult to machine materials.According to the machinability of titanium alloy,a new design method of milling cutter is proposed.Processing practice shows that the new milling cutter can effectively improve tool life as well as the difficult situation of titanium machining.

Titanium machining;tools;design;geometry parameters

TG 714

A

1002－2333（2014）04－0049－02

袁華（1971—），男，工程師，博士研究生，主要從事數控加工與刀具切削原理方面的研究。

2014-01-27