發(fā)布日期：2018-9-16 11:12:23
鈦合金由于比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、抗腐蝕性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被航空航天領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。然而由于減重等需要，鈦合金零件多設(shè)計(jì)為薄壁，給機(jī)加工帶來了很大的難題，特別是圓角數(shù)控銑削的質(zhì)量難以控制。圓角走刀由直線段進(jìn)入曲線段過程中，徑向切削深度和真實(shí)進(jìn)給量發(fā)生了突變，且該變化對(duì)切削力的影響很大，使加工過程無法順利進(jìn)行。相關(guān)文獻(xiàn)已對(duì)型腔圓角的切削力進(jìn)行了相應(yīng)的研究。
圓角數(shù)控銑削一般方法
現(xiàn)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(cè)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(shù)量及大小根據(jù)實(shí)際情況制定。等半徑靠刀法的優(yōu)勢(shì)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(xì)長(zhǎng)刀具在大切削用量情況下的加工變形和切削振動(dòng)現(xiàn)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(duì)刀會(huì)造成加工周期延長(zhǎng)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(shù)控銑削難點(diǎn)分析
鈦合金薄壁件在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣，具有側(cè)壁和腹板是這類零件的典型特征，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對(duì)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(fā)生加工變形特別是圓角處加工質(zhì)量和精度不易控制等現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象，常常發(fā)生欠切、過切、振顫等現(xiàn)象，因而出現(xiàn)明顯的過切、欠切痕跡或振紋，這不僅嚴(yán)重地影響了零件的加工質(zhì)量，降低了刀具使用壽命，而且降低了生產(chǎn)效率。鈦合金薄壁件圓角數(shù)控銑削存在以下加工難點(diǎn)。
（1）鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，薄壁件圓角加工前后受熱變形。
鈦合金材料導(dǎo)熱導(dǎo)溫系數(shù)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(dǎo)熱率使鈦合金薄壁件在切削加工中產(chǎn)生較大的溫差和熱應(yīng)力，造成切削熱量不易散發(fā)，產(chǎn)生刀具粘結(jié)磨損、薄壁受熱變形，圓角數(shù)控銑削時(shí)此現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。
（2）鈦合金切削過程中刀刃部位應(yīng)力大，影響薄壁件圓角加工質(zhì)量。
鈦合金的切削力雖然只有45號(hào)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(hào)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(yīng)力是碳鋼的1.3~1.5倍，刀刃應(yīng)力集中，極易造成崩刃現(xiàn)象。圓角數(shù)控銑削過程中，數(shù)控程序一般采用恒定的進(jìn)給速度，但實(shí)際瞬時(shí)進(jìn)給速度發(fā)生了突變，刀具在切削鈦合金薄壁件圓角處更容易發(fā)生崩刃現(xiàn)象，一旦產(chǎn)生刀具崩刃，很有可能會(huì)劃傷加工表面，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。
（3）鈦合金在高溫切削時(shí)化學(xué)活性高，大大降低了薄壁件疲勞強(qiáng)度。
鈦合金的化學(xué)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?dú)庑纬捎捕嗟耐馄ぃ瑫r(shí)切削過程中會(huì)產(chǎn)生塑性變形，也會(huì)形成非常堅(jiān)硬的氧化層，導(dǎo)致發(fā)生表面硬化，在圓角數(shù)控銑削時(shí)由于切削力的突變，且瞬時(shí)切削量大，產(chǎn)生的切削溫度也相對(duì)較高。研究表明，在這種冷硬現(xiàn)象下圓角處的疲勞強(qiáng)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(shù)控銑削中切削力突變。
對(duì)鈦合金薄壁件的圓角加工，一般編程人員會(huì)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(dāng)?shù)毒哂芍本�走刀過渡到圓弧走刀的時(shí)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(fā)切削振動(dòng)，還會(huì)造成刀具和工件的加工變形增大或拉刀現(xiàn)象，切削振動(dòng)則會(huì)在圓角處產(chǎn)生振紋，影響零件的加工質(zhì)量。采用與圓角相同半徑的刀具進(jìn)行切削時(shí)，切削面積比走直線切削時(shí)要大的多，會(huì)引起切削力的劇增。此外，在加工深型腔的小半徑圓角時(shí)，采用長(zhǎng)徑比較大的細(xì)長(zhǎng)刀具以及薄壁件自身剛性的降低，也是誘發(fā)切削振動(dòng)的原因之一。
將瞬時(shí)切削工序的瞬時(shí)徑向切削深度、瞬時(shí)真實(shí)進(jìn)給量代入切削力經(jīng)驗(yàn)公式, 可得到瞬時(shí)的切削力。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行了深入研究，證實(shí)了圓角數(shù)控銑削過程中會(huì)產(chǎn)生切削力的突變。
鈦合金薄壁件圓角數(shù)控銑削質(zhì)量控制方法
1、合理選擇刀具的材料、結(jié)構(gòu)以及銑削方式
鈦合金薄壁件圓角數(shù)控銑削一般不使用鎢鈦鈷（YT）類刀具，而采用鎢鈷（YG）類硬質(zhì)合金刀具，常用的牌號(hào)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?yàn)閅G6X的晶粒比YG8更細(xì)，所以在硬質(zhì)合金刀具的選擇時(shí)，應(yīng)盡量選擇細(xì)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(huì)在高負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間摩擦，容易引起鈦合金的加工硬化，產(chǎn)生磨損、燒結(jié)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(qiáng)度和剛度等。
2、提高工藝裝備系統(tǒng)的剛性
提高工藝裝備系統(tǒng)的剛性可以適當(dāng)減少刀具在圓角切削時(shí)發(fā)生的振顫，提高圓角加工質(zhì)量。比如改善裝夾方法、提高裝夾穩(wěn)定性等方法可以適當(dāng)降低振顫。目前大多工廠已在硬件上進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)以提高表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
3、改善冷卻方案
由于鈦合金的導(dǎo)熱、導(dǎo)溫系數(shù)低，熱量不易擴(kuò)散，導(dǎo)致薄壁件圓角數(shù)控銑削時(shí)切削力突變，因此必須在加工過程中進(jìn)行冷卻：粗加工時(shí)，可采用3％~5％ 的乳化液或10％~15％的極壓乳化液；精加工時(shí)，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(rùn)滑技術(shù)（MQL），與傳統(tǒng)的濕切削相比，該項(xiàng)技術(shù)有著更明顯的優(yōu)勢(shì)，從切削液用量和刀具壽命方面考慮，MQL 技術(shù)幾乎無污染，節(jié)約切削液采購(gòu)和維護(hù)費(fèi)用，切屑可以直接回收，刀具壽命成倍延長(zhǎng)、刀具成本降低，有利于自動(dòng)加工、檢測(cè)和監(jiān)控，最重要的是可以保證圓角加工質(zhì)量、成倍提高效率。
4、優(yōu)化圓角切削路徑
除了硬件設(shè)施提高以外，針對(duì)圓角加工問題，比較簡(jiǎn)單有效的方法即是對(duì)刀具加工路徑進(jìn)行優(yōu)化。細(xì)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(tǒng)數(shù)控加工型腔時(shí)在圓角走刀過程中的切削穩(wěn)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(xì)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?qǐng)D1（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(shí)從直線段進(jìn)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A(yù)e，有效避免了切削力的瞬時(shí)突變，從而提高了圓角的銑削質(zhì)量。
圖1（b）中的軌跡1為常規(guī)走刀路徑，采用等半徑靠刀法靠出圓角，細(xì)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(shù)控銑削的質(zhì)量�？梢愿鶕�(jù)實(shí)際情況選擇細(xì)化路徑的次數(shù)，但也不能過多，否則會(huì)導(dǎo)致切削時(shí)間增加，降低生產(chǎn)效率。
5、恒定進(jìn)給速度
進(jìn)給速度是圓角數(shù)控銑削中的一個(gè)重要參數(shù)，如果在圓角數(shù)控加工過程中實(shí)際銑削進(jìn)給速度存在劇烈變化，將對(duì)圓角加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為保證圓角切削質(zhì)量，恒定刀具切削部位進(jìn)給速度是一種比較可取的方法。時(shí)間倒數(shù)模式（G93）進(jìn)給速度定義如下：
F = V/60SL ，式中，V為常規(guī)模式（G94）進(jìn)給速率，單位為mm/min ；SL為跨度距離，單位為mm。化簡(jiǎn)得：F=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(gè)軸運(yùn)動(dòng)，且不論是移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)，所有的運(yùn)動(dòng)軸都在規(guī)定的時(shí)間ΔT內(nèi)到達(dá)指定位置。
因此，可以根據(jù)圓角的大小，選定銑削該圓角需要的切削時(shí)間，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)給定的進(jìn)給速度算出單位時(shí)間內(nèi)刀具在圓角過渡處的旋轉(zhuǎn)角度，可以有效減小單位時(shí)間內(nèi)的切削面積，保證圓角數(shù)控銑削質(zhì)量。
試驗(yàn)與分析
為了驗(yàn)證上述控制鈦合金薄壁件圓角質(zhì)量方法的合理性，分別對(duì)某TC4 鈦合金艙體上的不同部位進(jìn)行了幾種方法的試驗(yàn)。在保持刀具與文中所述選擇一致、穩(wěn)定的工藝裝夾系統(tǒng)、持續(xù)冷卻狀態(tài)的條件下，著重研究了細(xì)化走刀路徑以及恒定進(jìn)給速度的方法對(duì)提高圓角數(shù)控銑削質(zhì)量所起的作用。
（1）在HAAS-EC1600加工中心上進(jìn)行了刀具路徑細(xì)化試驗(yàn)，銑削內(nèi)容為殼體上的一個(gè)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(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min，進(jìn)給速度為60mm/min。
顯然，細(xì)化了圓角走刀路徑以后，在圓角處最后一刀切削時(shí)，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(dǎo)致的欠切、過切或振動(dòng)的產(chǎn)生，且加工出的圓角質(zhì)量有了明顯的提高。但是細(xì)化后的走刀時(shí)間明顯大于一般走刀時(shí)間，因此必須兼顧加工效率，合理選擇細(xì)化次數(shù)。
（2）在CINCINNATI-15VC加工中心采用恒定進(jìn)給速度的方法進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)控系統(tǒng)為MICRON850，加工內(nèi)容為艙體內(nèi)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(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為800r/min，進(jìn)給速度為0.3（1/s）。
加工過程中實(shí)際切削進(jìn)給速度恒定，加工完成后得到的零件經(jīng)過測(cè)量，形位尺寸精度、表面質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，沒有明顯的振紋和拉傷痕跡。
結(jié)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(huì)產(chǎn)生切削力劇增的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成欠切、過切、切削振動(dòng)等問題，嚴(yán)重地影響了工件的加工質(zhì)量。除了對(duì)刀具、工藝裝備系統(tǒng)的剛性、冷卻方式等硬件設(shè)施進(jìn)行改善外，可通過細(xì)化走刀路徑、恒定切削速率等方法，有效解決圓角數(shù)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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