楊學慧

(成都格潤特高新材料有限公司,四川成都610199)

鈦合金高效銑刀設計及性能研究

楊學慧

(成都格潤特高新材料有限公司,四川成都610199)

鈦合金屬于典型的航空難加工材料,因其切削溫度高,變形系數(shù)小,冷硬現(xiàn)象嚴重等切削加工特點,很難實現(xiàn)高效銑削。通過對鈦合金材料的加工特點和刀具的分析,詳細介紹了U型槽高效銑刀(以下簡稱“高效銑刀”)的設計要點,并通過試驗驗證了此類高效銑刀的高效性。

鈦合金;U型槽高效銑刀;高效銑削

1 引言

鈦合金是以鈦為基礎加入其他合金元素組成的合金。因其具有密度低、比強度高、抗腐蝕性能好、工藝性能好等優(yōu)點,被廣泛用作航空航天飛行器材料,如飛機的起落架支撐梁、機翼滑軌、發(fā)動機的壓氣機盤、渦輪盤以及飛機尾部整流器、排氣裝置、火箭、導彈的結構件等。但鈦合金是一種典型的航空難加工材料,因其切削溫度高,變形系數(shù)小,冷硬現(xiàn)象嚴重等切削加工特點,使得許多企業(yè)在加工鈦合金時都遇到刀具消耗量大,加工效率低等難題。隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展,提高鈦合金的加工效率勢在必行,航空難加工材料高效切削加工技術也應運而生,現(xiàn)正在航空企業(yè)內逐步推廣,在推廣過程中首先要解決的就是鈦合金的高效銑削。要實現(xiàn)鈦合金的高效銑削,除了要具有高效加工的設備,還要有能勝任高效切削的刀具,因此研究開發(fā)適合于鈦合金高效加工的刀具具有重要的意義。

航空難加工材料高效切削加工技術最早在飛機制造業(yè)受到重視,飛機上大部分零件是整塊鈦合金銑削而成,既可以減少連接,又可以提高零件的強度和抗震性,但普通銑削加工效率低、成本高,加工質量也達不到要求。而高效切削是解決這方面問題的最有效的加工技術,但國內能滿足鈦合金高效加工的刀具幾乎沒有。因此,本文就圍繞開發(fā)一種能實現(xiàn)鈦合金高效銑削加工的銑刀結構進行研究試驗。

2 高效銑削刀具設計

2.1 刀具材料選擇

根據(jù)鈦合金材料特性可以看出,切削鈦合金的刀具原材料必須具備高硬度、高耐磨性、高熱硬性、高化學穩(wěn)定性和抗熱沖擊能力等。Kennametal公司專家Brian Hoefler先生說,硬質合金刀具材料是加工鈦合金的正確選擇,然而普通的硬質合金刀具在加工鈦合金時,刀具失效的主要形式不是磨損,而是刀具刃口的破碎,其主要原因在于刀具材料的韌性不夠和耐高溫性能不足。通過以往的切削試驗發(fā)現(xiàn),晶粒度在0.5μm～0.8μm的亞微晶粒硬質合金材料是高效銑削鈦合金的理想刀具材料。本文介紹高效銑刀選取的材料的晶相結構圖及物理性能見圖1和表1所示。

圖1 刀具材料晶相圖

表1 刀具材料物理性能

2.2 刀具涂層選擇

加工鈦合金的刀具,不僅要解決好一般情況下的耐磨性問題,尤其要解決好高切削溫度下刀具的耐磨性問題,這一點很重要。很多資料顯示,氮鈦化鋁(Al TiN)涂層,對加工鈦合金是最好的選擇,“Al”分子在Al TiN涂層中是最活躍的,它對涂層刀具的切削性有很大的影響,鋁分子通過切削過程中的加工能量從涂層中釋放出來,在刀具表面形成一層氧化鋁的保護膜。這層保護膜減少了刀具和工件之間的熱傳遞和化學元素的擴散,因此在工藝允許的情況下,應盡量選擇含Al量高的涂層,圖2是某涂層公司利用各種涂層刀具所做切削試驗得出柱狀圖,從柱狀圖中不難看出Al TiN涂層的刀具,無論從硬度、切削效率還是刀具壽命都是最好的。本文介紹的高效銑刀選擇的是含鋁量達65%以上的Al TiN高鋁涂層。

圖2 各類涂層刀具性能對比圖

2.3 刀具刃數(shù)選擇

實現(xiàn)鈦合金的高效切削,除提高轉速、進給、加大切深等措施外,提供更多的切削刃也是一個很好的解決方案。因為即使在切削中切削速度,銑刀的每齒進給量和切削深度都保持不變的情況下,由于參與切削的切削刃增多了,每分鐘的進給速度能夠得到大大的提高。另外,增加切削刃還會帶來另外一種效果,即提高被加工零件表面的光潔度,由此可見高效銑刀不但可以用于粗加工,還可用于零件的精加工,對實現(xiàn)粗-精一體化加工起到很好的效果,本文主要針對D20的銑刀進行研究介紹,現(xiàn)D20的刀具選用5刃結構,刀具結構如圖3。

圖3 不對稱結構圖

2.4 刀具容屑槽的設計

高效銑刀的開發(fā)主要是針對鈦合金粗加工時使用,根據(jù)粗加工的特點,刀具在短時間內將產生很多切屑,切屑不能很好的排出,將堵塞在刀具的溝槽內,使加工時產生的大量熱量都積聚在刀刃上無法被帶走,由此將引發(fā)刃口破損,積屑瘤,甚至悶刀斷刀等不良影響,要解決排屑問題,改變刀具的溝槽槽型結構是解決這個問題的最好辦法。因此對于高效銑刀的設計在容屑槽結構設計上也是很關鍵的一環(huán)。為了解決容屑空間的問題,將高效銑刀槽底設計成大U形槽(如圖4)的圓弧過度,這樣的結構在增大刀具的排屑空間的情況下既不會減弱刀具的強度,而且還起到很好的卷屑效果,以便及時將切屑從切削區(qū)域排除,避免粘刀、拉刀現(xiàn)象,同時也大大降低切削區(qū)域的溫度,對于提高刀具使用壽命起到很好的作用。

圖4 大U型槽實物圖

2.5 消除振動的結構設計

對于刀具在切削中產生擾曲的原因和使其消除課題的研究也相當重要,因為它將引起一個很重要的技術難題——振動。振動在鈦合金的銑削加工中存在兩方面的不利因素:一是切削力的產生與增大,會引發(fā)和加大振動。另一方面,機床的主軸轉速高低似乎與振動無關,所以不能找出一種能夠調諧振動的理想轉速。實際上,振動決定著大多數(shù)的鈦合金銑削加工的生產效率。為了更好的解決振動問題,在借鑒了國外一些很好的刀具設計結構的基礎上,結合自身的經驗,將刀具的各切削刃間的排屑槽空間設計成不相等的結構,這種設計結構能很好地削弱切削過程中的震動,對于提高刀具使用壽命和工件光潔度起到了很好的效果。刀具設計結構圖如圖3所示。

3 對比實驗

以難加工材料TC4(Ti-6Al-4V)為高效銑削實驗對象,試驗中所用機床為YCM YM106A四軸加工中心。

試驗中使用的刀具為有相同材料,相同涂層,但結構不同的兩把銑刀,刀具的結構及材料性能見表2,具體的銑削示意圖如圖5。在轉速、單齒吃刀量和切寬等參數(shù)相同的情況下,調整刀具的切深,觀察機床負載的變化、零件表面光潔度、排出的切屑形貌和刀具刃口磨損狀態(tài)結果做對比,由此來驗證以上所設計高效銑刀的高效性,具體的試驗參數(shù)見表3所示。

圖5 銑削示意圖

表2 試驗刀具的化學成分與物理性能圖

表3 切削參數(shù)及冷卻方式

3.1 實驗結果與分析

刀具壽命

圖6是兩支刀具分別在不同切削深度時的機床負載對比圖,從圖中可以看出,在小切深的時候,兩支刀的機床負載相差不大,當切深不斷加大時,四刃銑刀的負載成正比不斷增大,當切深增大到8mm時,機床負載已增大到65%,機身震動很大,切削現(xiàn)象已出現(xiàn)嚴重悶刀,鐵屑堵在槽里不易排出,因此銑到8mm的切深,已是這支刀具的極限。然而五刃高效銑刀的負載隨切深的增加在緩慢的增加,在切深加大到15mm時,機床負載增大到35%,機身有些震動,排屑正常,無堵屑現(xiàn)象。圖7是兩支刀具在不同切深狀態(tài)下銑出的工件表面光潔度對比圖,從圖中可以看出,無論在什么切深條件下,五刃高效銑刀銑出的表面光潔度都比較好,而四刃銑刀則隨切深的增大,光潔度不斷的變差。圖8和圖9分別是兩支刀具在加工完成切深是8mm時的刀具刃口磨損對比圖和切屑形貌對比圖。從對比圖可以看出,五刃高效銑刀的刃口屬于正常磨損,銑出的切屑形狀屬于正常的螺旋卷屑,斷屑處光滑無擠壓變形痕跡。而四刃銑刀的刃口已大部分破損崩缺,還有粘屑的痕跡,銑出的切屑形狀已變得不成型,幾乎屬于悶刀后擠壓出來的屑渣,不屬于正常切削出來的切屑。

圖6 機床負載對比圖

圖7 工件粗糙度對比圖

4 結語

試驗結果表明,五刃高效銑刀在進給速度不變,滿吃刀的狀況下,刀具切深已可達到15mm,而四刃銑刀在進給速度僅為五刃高效銑刀的3/4(具體數(shù)據(jù)見表3)的情況下,切削深度加到8mm時已經達到刀具承受的極限。從金屬去除率角度來比較,五刃高效銑刀的金屬去除率已是四刃銑刀的2.5倍。由此可見采用亞微晶基體、專用高Al涂層、多刃結構,不等距排屑空間和獨特U型槽設計結構的高效銑刀,擁有超凡排屑性能,優(yōu)異冷卻效果和高的金屬去除率,不但可滿足大切寬大切深的高效加工要求,還可實現(xiàn)粗精一體化加工,是適合用于航空鈦合金材料高效加工的理想刀具。

圖8 高效銑刀和四刃銑刀的鐵屑形貌圖

圖9 高效銑刀和四刃銑刀刃口磨損圖

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Design and Performance of Titanium High Efficiency Cutter

YANG Xue-hui
(Chengdu gerunte high-tech material Co.,LTD,Chengdu 610199,Sichuan,China)

Titanium is a typical aviation difficult to machine materials,because of its high cutting temperature,deformation coefficient is small,serious and so chilled cutting characteristics,it is difficult to achieve efficient milling.By analyzing the characteristics of titanium alloy machining and tool,detailing the U-groove milling efficiency(later referred efficient milling)of the design elements,and verified by testing the efficiency of such efficient cutter.

titanium;high efficiency cutter with U-groove;efficient milling

TG501.3

:A

1001-5108(2015)04-0004-05

楊學慧,助理工程師,從事整體銑劑削刀具的設計和開發(fā)。