航天裝備制造刀具選用技巧

鄒峰，張甜甜，張偉

1. 湖北三江航天紅林探控有限公司 湖北黃石 435003

2. 湖北三江航天紅峰控制設備有限公司 湖北孝感 432000

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品上的廣泛應用，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量，成為制造業的主攻方向[1]。

在研究航天產品難加工材料加工方法時發現，選擇合適的刀具是解決難加工材料加工難題的關鍵一步，在優化工藝方案、合理進行刀具配置的同時，必須根據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，使零件加工質量符合設計要求。

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，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點，加工硬化現象嚴重，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）技術要求 鎳基高溫合金銑削刀具選擇時的技術要求如下。

1）銑刀刀齒的強度是第一優先等級，選擇刀齒強度高、不易崩刃的銑刀。

2）銑刀切削時應盡量減小切屑長度，有效控制切屑狀態，可以適當選擇齒數多的銑刀，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，可以減小切削力，保證有效排屑。可選擇正前角刀具，取較大的后角，采用45°螺旋角、不等齒距和變刃傾角進行銑削。

4）選擇合適的整體硬質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，故涂層應選用PVD涂層，避免切屑撞擊刀具時造成崩刃現象。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）內型銑刀選用技巧 整體硬質合金立銑刀通常的使用方式是側銑與端銑，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，但加工封閉的內孔時對排屑要求高，切屑形狀、排屑是影響加工質量和刀具壽命的主要因素。內孔加工時，需采用螺旋插補方式進行銑削，避免產生較長的切屑，金屬去除率高，因而在優化選擇整體硬質合金銑刀時，要達到封閉內孔加工的銑削要求。

1）通過對切屑形狀與銑刀槽型的反復對比和切削試驗，結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）采用不等距齒和變刃傾角結構的銑刀，改善了切削性能和銑削平穩性。

（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，應采用擺線加工的銑削方式，但因整體硬質合金銑刀加工零件時，刀具壽命短，加工硬化嚴重，切削力大，零件尺寸和表面質量不易保證，故需要對整體硬質合金刀具的幾何角度進行合理的優化選擇。

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，故可適當選擇齒數為5～7齒或更多齒數的銑刀，以有效利用切削刃數量，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過超精細金剛石砂輪精磨的，以提高銑刀表面質量，使排屑更加順暢，能最大限度發揮機床切削功率的使用效率，提高金屬去除率。

2.3 刀具幾何參數和切削參數選擇

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

表3 銑削刀具幾何參數

表4 銑削刀具切削參數選擇

3 鈦合金數控加工刀具選用

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可以看出，鈦合金加工時主要存在3個技術難點。

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生回彈，引發刀具切削時產生振動，后刀面磨損加劇，直接影響零件的尺寸精度和表面質量。

2）鈦合金熱導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而不易散發，導致這一區域切削溫度過高，加快了刀具的磨損；同時，鈦又是化學親和力極強的元素，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生粘結，切削溫度高易產生積屑瘤，直接影響零件尺寸及表面質量，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選擇 根據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，刀具幾何參數見表7。

表6 常用刀桿及刀片

表7 刀具幾何參數

（續）

（2）切削參數選擇 根據零件材料、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，結合刀具手冊上推薦的切削參數值，確定了刀具的切削參數，見表8。

表8 刀具切削參數選擇

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，據統計，根據微孔不同的被加工材料、精度、表面粗糙度、尺寸及形狀等基礎條件，大約有50多種加工微孔的方法，例如化學、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，在經濟性和精度上具有較明顯的優勢，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的區別。

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合金，也有采用復合結構的，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。

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，有可能使孔徑產生圓度誤差形成喇叭口，或使切屑殘留孔內造成鉆頭折斷。

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軸的數控機床，另一種方法是在斜面上預先用中心鉆打孔或用銑刀預銑出一小段平面。

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，穩定性好，振動小，能以很小的動態徑向圓跳動高速旋轉（>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，以便充分發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 結束語

通過介紹整體硬質合金銑削、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難題的解決，應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之上，再系統綜合考量諸多要素。經多批次、多類型難加工材料工件的加工試驗，結合本文技巧選擇出的刀具，加工出的零件質量和尺寸精度完全符合設計要求，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。