難加工材料的加工要素

■哈爾濱建成集團有限公司 （黑龍江 150030） 張廣華

難加工材料的加工要素

■哈爾濱建成集團有限公司 （黑龍江 150030） 張廣華

摘要：通過分析難加工材料的機械特性，提出從控制切削力因素、加工輔助工藝、高效加工工藝和加工效率與刀具消耗的性價比4個方面，解決難加工材料的加工效率低、刀具壽命短的問題，并提出了難加工材料的解決方案。

隨著科技的發展使得當今大量零部件的結構異形化、形狀復雜化及型面多樣化，如鈦合金的整體葉輪、航空發動機的渦輪盤。難加工材料如奧氏體不銹鋼、淬火鋼、鈦合金、高溫合金和鈦合金等材料，一方面由于難加工材料硬度高、熔點高、耐磨性好、抗氧化和抗腐蝕能力強等優點，所以其在航空航天和石油化工等領域應用廣泛；另一方面難加工材料這些特性使得加工過程中切削力大、切削區溫度高、切屑不容易折斷、加工表面完整性差且刀具壽命短。

傳統材料的加工工藝、加工方法和加工刀具無法滿足難加工材料結構件的加工要求，需要從難加工材料及其結構件的可加工性和加工工藝方法出發，提出合理的加工方法：采用相位圖方法分析難加工材料的可加工性；選取適合的加工工藝方法——高壓冷卻方法，微量潤滑切削（MQL）加工，加熱（激光）輔助切削加工，低溫冷卻輔助切削加工；還有提高難加工材料切削效率的方法：刀具設計、刀具涂層和材料、刀具幾何參數的合理選擇、選取合理的切削用量和加工方式。針對難加工材料的加工可以參照一些廠家的加工方案。

本文主要討論難加工材料需要考慮的4個要點：用合理的刀具幾何參數和切削參數來控制切削力、冷卻潤滑輔助工藝、合理的加工工藝和考慮刀具性價比的合理刀具效率。并且列舉幾個山高刀具對難加工材料及其結構件的解決方案，提高難加工材料的加工效率和刀具壽命。

1. 切削難加工材料的要素

（1）適當地控制刀具的切削力。切削力的方向和大小直接影響刀具的使用壽命及工件（尤其是薄壁件）的加工質量。切削參數對切削力的影響如圖1所示，山高推出的計算主切削力的Kienzle定律，橫向為每轉進給量或切削深度，縱向為切削力。進給量比切削深度對切削力的影響更顯著，如山高刀具公司整體合金銑刀研發出專用于高溫合金、鈦合金及不銹鋼等材料的高效刀具，既提高了加工效率和刀具壽命，又能降低加工風險，保證零件的加工質量。

（2）合理的輔助加工工藝措施。加工難加工材料時，適當地提高加工線速度并實施充分的冷卻，能夠有效的斷屑。如山高刀具公司推出的Jetstream Tooling飛流系統等，使切削液更充分地噴射到加工點上，能有效地降低切削熱，對潤滑刀具效果好，有利于切屑的折斷，特別適用于不銹鋼、鈦合金及高溫合金等難斷屑材料的加工。

圖1　切削參數對切削力的影響

（3）選用高效加工方法加工難加工材料。目前常用的幾種高效加工方法有：片皮法、層切

法、擺線法及插銑法等。如采用片皮法大切深小切寬的方式，盡可能地使刀具少處在產生熱量區域內而多處于散熱區域，以提高刀具壽命。無論采用哪種方法，其目的都是在加工過程中減少加工熱的產生。難加工材料的高效加工方法會顯著地影響刀具的加工效率和刀具壽命。

（4）刀具性價比的均衡。很多人都很看重刀具的價格及使用壽命而往往忽視了刀具的效率問題，然而刀具效率的提升所節約下來的成本遠遠大于刀具自身的成本。圖2所示是切削速度與刀具成本、機床成本、總加工成本和每小時加工零件數的關系圖，從圖2中可以看出，既保證加工效率（每小時加工零件數），又兼顧其他成本時，加工需要選取合理的加工速度。

圖2　切削速度對加工成本影響圖

2. 難加工材料的加工實例

實例1：采用刀具涂層和高壓冷卻進行鈦合金的銑削。

對Ti6A l4V材料機匣件在200 bar情況下的加工案例，加工條件如下：刀桿型號為 R220.69 -0040-12-5，F40M涂層，其刀片型號為XOEX120416RM07/XOMX120416R-ME08；切削參數： fz= 0.14mm/z，ap=2mm，ae= 15mm，1MPa高壓冷卻。機匣件如圖3所示，材料為Ti6Al4V。刀具涂層如圖4所示，包括有TiN、（Ti，Al）N、Ti （C，N）和TiN結合涂層。切削速度對刀具壽命的影響如圖5所示，縱向為刀具連續切削時間，橫向為切削線速度，從而可以看出采用涂層的刀具切削Ti6Al4V的切削速度在60～80m/min時，刀具壽命較短，為了保證該涂層的刀具壽命，可選切削速度為40～50m/min。

圖3　機匣件

圖4　刀具涂層示意圖

圖5　切削速度對刀具壽命影響

實例2：新型銑刀高進給銑削的應用。

（1）采用較小的軸向切削深度，較大的每齒進給量（尤其對于加工大懸伸深模腔時，傳統圓刀片銑刀軸向切深不大），實際金屬切除率明顯提高，比用傳統圓刀片加工效率高。

（2）新型銑刀與圓片銑刀的總切削力方向如圖6所示，該種新型銑刀的總切削力的軸向分力較大，提高刀具切削剛性，尤其當加工大懸伸深模腔時，加工穩定性比傳統圓刀片銑刀好。山高新產品軸向切削深度高達1.8mm。

新型銑刀加工模具型腔如圖7所示 。加工要求、條件及狀態：加工模具型腔，預硬模具鋼56HRC；刀杠型號為R217.21 -2525.0-R100.3 (φ25 mm)；刀片型號：218.19-100T-T3 -MD06，F15M；切削參數：Vc=195m/min，N=2 500r/min，fz=0.53mm/z，Vf=4 000mm/min，ap=0.3mm。

圖6　新型銑刀與圓片銑刀的總切削力方向

圖7　新型銑刀加工模具型腔

3. 結語

難加工材料的機械特性決定了其可加工性差的特點。可采用選配適合的刀具和加工參數降低切削力。采用高壓冷卻的輔助加工工藝，選用適合的高效加工方

法，考慮刀具性價比均衡優化等要素，可提高難加工材料加工效率，降低刀具成本。

參考文獻：

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[4] 翟元盛，胡靜姝，李玉甫. 改善難加工材料可加工性方法的研究進展[J].航空制造技術，2014（12）：44-47.

收稿日期：（20150520）