钛合金高速铣削技术的基础分析

钛合金高速铣削技术的基础分析

王连英

哈尔滨东安机电机电制造有限责任公司 150066

摘要：自旋转圆刀片和圆弧底刃铣刀是目前解决钛合金高速粗加工铣削的两种铣削方式。自旋转圆刀片在刀具寿命和轴向铣削厚度上具有较好的适应性；圆弧底刃大进给铣刀可以适应更高的每齿进给量和铣削速度。随着制造业对钛合金零件需求量的增加，大进给铣削钛合金有望获得进一步的发展和应用。

关键词：钛合金；高速铣削；技术；基础

引言 自旋转圆刀片和圆弧底刃铣刀是目前解决钛合金高速粗加工铣削的两种铣削方式。自旋转圆刀片在刀具寿命和轴向铣削厚度上具有较好的适应性；圆弧底刃大进给铣刀可以适应更高的每齿进给量和铣削速度。随着制造业对钛合金零件需求量的增加，大进给铣削钛合金有望获得进一步的发展和应用。

1.钛合金高速铣削简述

铣削主要是为提高金属切除率,以提高生产率和缩短加工时间而开发的一种粗加工方法。大进给铣削的原理是：采用较小的轴向切削深度，通常不超过2mm，产生较薄的切屑，这些切屑能从切削刃上带走大量切削热。大进给铣削的每齿进给量通常可高达常规铣削的5倍以上。这种铣削方式可减少产生的切削热,从而延长刀具寿命，并提供更高的金属切除率,比传统铣削方式快约1至3倍。能取得这个效果的关键在于把浅的轴向切削深度和高的每齿进给量成对使用,在降低切削温度延缓刀具磨损的同时，还获得了更高的金属加工去除率。而在实际操作中，是一种有望在大径向铣削宽度的情况下，在较高材料去除率的同时，并跨越lOOm/min的钛合金高速铣削速度门槛的钛合金铣削方式。

2.钛合金铣刀的设计

2.1结构设计

槽型的开发，切削钛合金时,在第三变形区内，刀具和工件界面磨损比较严重，同时，由于钛合金比强度高，切削过程中的切屑和切削力也需要重点控制。针对上述状况，采用成型磨削技术,优化槽型设计,兼顾大的容屑、排屑空间、刀具刚性和锋利的刀具前角。切削钛合金时，切屑变形系数小于1，对于铣削而言，造成切屑较宽或卷曲不够充分，排屑阻力较大；前刀面磨损。在刀具芯厚不变（即刚性不变的情况下，刀具的槽底加宽很多，容屑空间增大,排屑阻力减小，刀具磨损变缓。此外，为减少切削过程中的振动和提高切削效率,经理论分析和试验优化,确定了五刃结构，为降低切削振动,采用不等齿距设计。为进一步抑制振动，刀具周刃采用双铲磨后刀面设计,并沿螺旋槽磨出偏心后角，保证刀具高速铣削时的动平衡。

2.2微米厚度的PVD涂层

微米厚度的PVD涂层是切削过程中的关键组成。基于c基体和优化后的几何结构开展涂层选择和应用的优化。初始优化后的涂层有AlCrXN涂层、TiAlCrN涂层和TiAIN涂层。选用基体优化相同的切削参数进行测试,加工300min后的刀具磨损情况较好。可见，从磨损形式和磨损值来看,AlCrXN 涂层表现出了最好的切削性能，因此选择该涂层。

3.钛合金铣削现存的问题

铣刀在铣削钛合金时除了逐渐磨损至失效外，还有前刀面贝壳状的片状剥落和刀尖处大块材料的剥落引起的破损失效,以及由微崩刃、微坑等的进一步恶化而导致的失效。钛合金的弹性模量较低,切削加工时已加工表面加工硬化现象和回弹现象相对严重。大进给铣刀圆弧底刃的主偏角很小,在底刃中心处的切削厚度较小,极易进入高切削比能的刃口尺寸效应区，加剧了已加工表面对底刃中心处的挤压作用，常导致大进给刀片的层状剥落甚至断裂；此外，铣刀的刀尖在钛合金型腔加工时需要切削侧壁，在切削条件不合适的情况下，极易导致刀尖破损。有必要针对铣削的特点，研发钛合金大进给铣刀的刀具材料，以及圆弧刃形的优化。在铣刀进行典型航空结构件的实际应用中，多采用1.0mm 的切深进行快速逐层铣削，编程策略和走刀轨迹的选择对大进给铣削钛合金的效率和刀具寿命具有显著的影响。铣削垂直方向的进刀可选择斜线轨迹和螺旋轨迹两种方式下刀，至于水平方向的进刀,为了保护刀具的切削性能，可选用圆弧进刀方式；由于铣削会大大增加程序执行的层数,可以通过定义最小安全平面和直接进入下一层的进刀两种方式实现程序的层间过渡，以减少层间过渡产生的空运行；对于每层执行程序的行间过渡，同样为了减小空运行轨迹,可选用环切轨迹和螺旋轨迹的行间程序过渡，考虑到螺旋轨迹编制周期长,环切轨迹则为优选方案。

4.机理分析

4.1钛合金铣刀的磨损机理分析

为了提髙钛合金铣刀的高速切削性能，有必要先研究其磨损机理。因此，对钛合金铣刀前、后刀面的磨损进行电镜与能谱分析。铣刀刀尖前刀面电镜与能谱分析中电镜与能谱结果可知，前刀面靠近刃口处含有W元素并且Ti含量只有远离刃口处Ti含量的54%，说明涂层已被磨穿，从而有基体元素W 的存在。Ti的来源有基体、涂层及被加工材料等三部分。

4.2铣刀周刃刃口电镜与能谱分析

从电镜与能谱结果可知，刃口外缘处有凸起物，Ti含量很大（为总量的86%),基本相当于钛合金中钛元素的含量。因此，可以肯定凸起物为钛合金粘结物。此外,内侧含有W、Co元素，且没有涂层成分N元素，说明涂层已完全磨损，但Ti含量(23. 53%)显然大大高于基体中的Ti含量。Ti的来源有基体、涂层、钛合金工件,排除了前面两项后，只剩下最后一项，因此，可以推断出钛合金工件中的Ti通过扩散磨损转移到了刀具的刃口内侧及外缘。 外缘处Ti含量是刃口内侧处Ti含量的3倍，是因此处的摩擦力远小于外缘处的摩擦力，导致切削温度降低，没有产生粘接磨损。分析可知,钛合金加工时后刀面产生了粘结磨损和扩散磨损。综上所述，钛合金高速铣削时,刀具产生了磨料磨损、粘接磨损和扩散磨损等三种类型的磨损。

结语 自旋转圆刀片和圆弧底刃铣刀是目前解决钛合金高速粗加工铣削的两种大进给铣削方式。自旋转圆刀片在刀具寿命和轴向铣削厚度上具有较好的适应性；圆弧底刃大进给铣刀可以适应更高的每齿进给量和铣削速度。随着制造业对钛合金零件需求量的增加,铣削钛合金有望获得进一步的发展和应用。

参考文献

黄张洪.航空用钛及钛合金的发展及应用[J].材料导报,2011(1).

[2]袁跃峰.钛合金切削加工技术研究进展[J].航空制造技术,2010(1)

[3]张天爱.探究钛合金切削加工技术研究进展[J].制造工程,2015(06)