發布日期：2018-9-16 11:12:23
鈦合金由于比強度高、熱穩定性好、抗腐蝕性強等諸多優點，被航空航天領域廣泛運用。然而由于減重等需要，鈦合金零件多設計為薄壁，給機加工帶來了很大的難題，特別是圓角數控銑削的質量難以控制。圓角走刀由直線段進入曲線段過程中，徑向切削深度和真實進給量發生了突變，且該變化對切削力的影響很大，使加工過程無法順利進行。相關文獻已對型腔圓角的切削力進行了相應的研究。
圓角數控銑削一般方法
現在圓角銑削采用最多的是等半徑靠刀法。例如：最終將要加工R6 的圓角，一般先采用φ 20mm剛性較好的刀具將側壁加工到最終尺寸或留少量的精加工余量，再分別換較小的刀具來接圓角，所需換的刀具的數量及大小根據實際情況制定。等半徑靠刀法的優勢在于：先通過剛性較好的大直徑刀具去除了大部分金屬材料，留給剛性較弱刀具加工的部分僅是圓角處較小的一部分，避免了直接采用細長刀具在大切削用量情況下的加工變形和切削振動現象。該方法在一定程度上解決了圓角加工的拉刀難題，但頻繁的換刀和對刀會造成加工周期延長等問題，更重要的是該方法也沒有徹底解決拉刀和振紋等加工問題。
鈦合金薄壁件圓角數控銑削難點分析
鈦合金薄壁件在航空航天領域應用較廣，具有側壁和腹板是這類零件的典型特征，結構復雜，相對剛度較低，故加工工藝性差。加工變形和加工效率低等已成為約束鈦合金薄壁零件加工的重要問題。在切削力、裝夾力、切削振顫等因素作用下，易發生加工變形特別是圓角處加工質量和精度不易控制等現象。研究發現，刀具從直邊切入圓角以后，在圓角處存在明顯的切削力超值突變現象，常常發生欠切、過切、振顫等現象，因而出現明顯的過切、欠切痕跡或振紋，這不僅嚴重地影響了零件的加工質量，降低了刀具使用壽命，而且降低了生產效率。鈦合金薄壁件圓角數控銑削存在以下加工難點。
（1）鈦合金導熱系數低，薄壁件圓角加工前后受熱變形。
鈦合金材料導熱導溫系數僅為鋁及鋁合金的1/15、鋼的1/5，并小于不銹鋼和高溫合金。低的導熱率使鈦合金薄壁件在切削加工中產生較大的溫差和熱應力，造成切削熱量不易散發，產生刀具粘結磨損、薄壁受熱變形，圓角數控銑削時此現象尤為嚴重。
（2）鈦合金切削過程中刀刃部位應力大，影響薄壁件圓角加工質量。
鈦合金的切削力雖然只有45號鋼的1/3~1/2，但是鈦切屑與前刀面的接觸面積小，只有45號鋼的1/2~2/3，單位接觸面積上的切削力大大增加，所以切削刃所承受的應力是碳鋼的1.3~1.5倍，刀刃應力集中，極易造成崩刃現象。圓角數控銑削過程中，數控程序一般采用恒定的進給速度，但實際瞬時進給速度發生了突變，刀具在切削鈦合金薄壁件圓角處更容易發生崩刃現象，一旦產生刀具崩刃，很有可能會劃傷加工表面，嚴重影響加工質量。
（3）鈦合金在高溫切削時化學活性高，大大降低了薄壁件疲勞強度。
鈦合金的化學活性大，在切削溫度高、單位面積切削力大的條件下，很容易吸收空氣中的氧氣和氮氣形成硬而脆的外皮，同時切削過程中會產生塑性變形，也會形成非常堅硬的氧化層，導致發生表面硬化，在圓角數控銑削時由于切削力的突變，且瞬時切削量大，產生的切削溫度也相對較高。研究表明，在這種冷硬現象下圓角處的疲勞強度大大降低，在今后零件的使用過程中存在巨大的安全隱患。
（4）鈦合金薄壁件圓角數控銑削中切削力突變。
對鈦合金薄壁件的圓角加工，一般編程人員會考慮采用等徑向切深切削，即在一次走刀過程中徑向切深為一定值，當刀具由直線走刀過渡到圓弧走刀的時候，由于切削夾角的增大而使刀具與工件的接觸面積增加，從而引起切削力的超值突變并容易誘發切削振動，還會造成刀具和工件的加工變形增大或拉刀現象，切削振動則會在圓角處產生振紋，影響零件的加工質量。采用與圓角相同半徑的刀具進行切削時，切削面積比走直線切削時要大的多，會引起切削力的劇增。此外，在加工深型腔的小半徑圓角時，采用長徑比較大的細長刀具以及薄壁件自身剛性的降低，也是誘發切削振動的原因之一。
將瞬時切削工序的瞬時徑向切削深度、瞬時真實進給量代入切削力經驗公式, 可得到瞬時的切削力。相關文獻對此進行了深入研究，證實了圓角數控銑削過程中會產生切削力的突變。
鈦合金薄壁件圓角數控銑削質量控制方法
1、合理選擇刀具的材料、結構以及銑削方式
鈦合金薄壁件圓角數控銑削一般不使用鎢鈦鈷（YT）類刀具，而采用鎢鈷（YG）類硬質合金刀具，常用的牌號為YG3、YG3X、YG6、YG6X、YG8等，一般鈷含量少的用于精加工，含量多的用于粗加工。YG6X的加工效果最好，YG8其次，因為YG6X的晶粒比YG8更細，所以在硬質合金刀具的選擇時，應盡量選擇細化晶粒的刀具。
在加工過程中，刀具和工件都不允許停留，如果停止，刀刃和被切削的鈦合金就會在高負荷下長時間摩擦，容易引起鈦合金的加工硬化，產生磨損、燒結和擠裂而損壞刀具。刀具的切削部分盡量要短，以減少溫升造成的熱膨脹，在容屑足夠的情況下盡量加大切削刃厚度（刀具刀口厚度）、提高刀具的強度和剛度等。
2、提高工藝裝備系統的剛性
提高工藝裝備系統的剛性可以適當減少刀具在圓角切削時發生的振顫，提高圓角加工質量。比如改善裝夾方法、提高裝夾穩定性等方法可以適當降低振顫。目前大多工廠已在硬件上進行了適當改進以提高表面質量和生產效率。
3、改善冷卻方案
由于鈦合金的導熱、導溫系數低，熱量不易擴散，導致薄壁件圓角數控銑削時切削力突變，因此必須在加工過程中進行冷卻：粗加工時，可采用3％~5％ 的乳化液或10％~15％的極壓乳化液；精加工時，可采用極壓切削油或極壓水溶液；有能力的情況下可采用微量潤滑技術（MQL），與傳統的濕切削相比，該項技術有著更明顯的優勢，從切削液用量和刀具壽命方面考慮，MQL 技術幾乎無污染，節約切削液采購和維護費用，切屑可以直接回收，刀具壽命成倍延長、刀具成本降低，有利于自動加工、檢測和監控，最重要的是可以保證圓角加工質量、成倍提高效率。
4、優化圓角切削路徑
除了硬件設施提高以外，針對圓角加工問題，比較簡單有效的方法即是對刀具加工路徑進行優化。細化圓角刀具路徑的方法早期由M. D.Tsai等人提出，主要解決傳統數控加工型腔時在圓角走刀過程中的切削穩定性問題。由于切削力的大小主要由刀具與工件的接觸面積即切削面積確定，因此保持刀具的切削夾角恒定就可有效避免切削力的突變。細化圓角刀具路徑的方法，其思想就是在走刀過程中保持刀具切削夾角恒定，或者附加走刀路徑，以減小刀具在圓角處的切削面積，從而避免切削力的超值突變，如圖1 所示。按照圖1（a）中的曲線路徑走刀，就能保持恒定的銑削夾角，銑削圓角時從直線段進入圓弧段過程中的切削量保持恒定，如圖中保持恒定的徑向切深Ae，有效避免了切削力的瞬時突變，從而提高了圓角的銑削質量。
圖1（b）中的軌跡1為常規走刀路徑，采用等半徑靠刀法靠出圓角，細化后的刀具路徑由軌跡2、3和1組合而成。從圖中可以看到，先通過軌跡2 去除圓角的部分余量，再空切返回（軌跡3），然后仍按原軌跡1走刀，等同于保持了恒定的切削夾角，從而提高了圓角數控銑削的質量。可以根據實際情況選擇細化路徑的次數，但也不能過多，否則會導致切削時間增加，降低生產效率。
5、恒定進給速度
進給速度是圓角數控銑削中的一個重要參數，如果在圓角數控加工過程中實際銑削進給速度存在劇烈變化，將對圓角加工質量產生嚴重影響。為保證圓角切削質量，恒定刀具切削部位進給速度是一種比較可取的方法。時間倒數模式（G93）進給速度定義如下：
F = V/60SL ，式中，V為常規模式（G94）進給速率，單位為mm/min ；SL為跨度距離，單位為mm�；喌茫篎=1/ΔT，單位為1/s，即：ΔT=1/F，單位為s。
可以看出，無論程序段有幾個軸運動，且不論是移動、轉動還是旋轉，所有的運動軸都在規定的時間ΔT內到達指定位置。
因此，可以根據圓角的大小，選定銑削該圓角需要的切削時間，數控系統會根據給定的進給速度算出單位時間內刀具在圓角過渡處的旋轉角度，可以有效減小單位時間內的切削面積，保證圓角數控銑削質量。
試驗與分析
為了驗證上述控制鈦合金薄壁件圓角質量方法的合理性，分別對某TC4 鈦合金艙體上的不同部位進行了幾種方法的試驗。在保持刀具與文中所述選擇一致、穩定的工藝裝夾系統、持續冷卻狀態的條件下，著重研究了細化走刀路徑以及恒定進給速度的方法對提高圓角數控銑削質量所起的作用。
（1）在HAAS-EC1600加工中心上進行了刀具路徑細化試驗，銑削內容為殼體上的一個窗口，窗口圓角半徑為3mm，刀具采用φ6mm兩齒螺旋立銑刀，直邊徑向切削深度為3mm，軸向切削深度為1.5mm，機床主軸轉速為1000r/min，進給速度為60mm/min。
顯然，細化了圓角走刀路徑以后，在圓角處最后一刀切削時，切削力的幅值比直接走刀有顯著的下降，避免了在圓角處由于切削力的超值變化而導致的欠切、過切或振動的產生，且加工出的圓角質量有了明顯的提高。但是細化后的走刀時間明顯大于一般走刀時間，因此必須兼顧加工效率，合理選擇細化次數。
（2）在CINCINNATI-15VC加工中心采用恒定進給速度的方法進行試驗，數控系統為MICRON850，加工內容為艙體內腔的5mm圓角，加工程序采用G93編程，刀具采用φ10mm兩齒螺旋立銑刀，直邊徑向切削深度為1mm，軸向切削深度為2mm，機床主軸轉速為800r/min，進給速度為0.3（1/s）。
加工過程中實際切削進給速度恒定，加工完成后得到的零件經過測量，形位尺寸精度、表面質量均滿足設計要求，沒有明顯的振紋和拉傷痕跡。
結束語
在鈦合金薄壁件圓角的銑削過程中，由于圓角處切削面積的變化等原因，會產生切削力劇增的現象，嚴重時會造成欠切、過切、切削振動等問題，嚴重地影響了工件的加工質量。除了對刀具、工藝裝備系統的剛性、冷卻方式等硬件設施進行改善外，可通過細化走刀路徑、恒定切削速率等方法，有效解決圓角數控銑削過程中的加工難題，并可解決欠切、過切、振紋等問題，從而提高工件的加工精度。
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