钛合金的铰削加工

作者：张宪 编译    来源：《工具展望》

欢迎访问e展厅 展厅 4 铰刀/拉刀/切齿刀具展厅 铰刀, 拉刀, 滚刀, 插齿刀, ... 任何从事金属切削加工的人都知道，孔加工并不只是钻一个孔那样简单。刀具制造商Mapal公司北美销售经理Brian Hurd总结了孔加工的基本步骤："首先通过钻孔去除材料；然后通过镗孔确定孔的位置；最后通过铰孔确定孔的尺寸。" 通常，铰孔是实现孔的功能性的关键步骤。作为孔加工的最终工序，铰削只去除少量工件材料，它的主要目的在于获得光滑而一致的内孔表面光洁度。 在确定生产性铰削加工最佳刀具和切削参数的关键要素中，最重要的是工件材料的特性。由于钛合金具有诸多独一无二的特性，因此其铰削加工要比普通材料孔的精加工复杂得多。 更轻、更强韧的钛合金 钛合金的标志性特性之一就是其优异的强度/重量比。钛的密度仅为钢的大约60%，但其拉伸强度却高于大部分钢合金。由于钛的弹性比典型的钢大约高一倍，因此将其应用于结构件时，能够提供优异的耐久性和抗疲劳性。钛合金表面自然形成的、稳定而连续的氧化层可起到耐腐蚀的保护层作用，并使材料具有化学惰性和生物适应性。钛的熔点比钢高大约200℃，比铝高大约1,100℃。 随着钛合金的应用范围日益广泛，对其进行精密铰孔的需求也不断增加。但是，使钛合金如此有用的这些特性也使其很难加工。尽管其初始切削力只比切削同等硬度的钢时稍高一点，但钛合金材料却有产生冷作硬化的倾向。此外，尽管钛在常温下具有化学惰性，但在切削高温下却很容易与其他材料产生化合作用。使钛合金在结构应用中具有抗疲劳破损能力的良好弹性在加工中却成为一种障碍：实际上，当刀具切削刃切入时，工件材料会退让，然后又回弹。 钛合金一个最重要的、与一般的金属切削和特定的铰削加工都有关系的特性是其极差的导热性。据Niagara刀具公司介绍，在切削加工钢时，75%的切削热传入切屑中，15%的切削热传入刀具切削刃中，10%的切削热传入工件材料中。而在切削钛合金时，只有25%的切削热被切屑带走，15%的热量被工件吸收，其余60%的切削热则都传入了刀具切削刃。 集中的热量会大大缩短刀具寿命。钛合金的高温反应性会导致在刀具与工件之间发生材料扩散，从而加剧刀具的月牙洼磨损和刻划磨损。由于铰削加工属于轻切削，因此必须对切深量仔细进行权衡，如切深过大，会影响孔的尺寸精度和表面光洁度；如切深过小，则会造成刀具推挤而非切削工件材料，产生摩擦和更多热量，并使加工表面发生冷作硬化。 前序加工的钻头或镗刀直径决定了铰削加工的余量。刀具制造商Superion公司销售副总裁B.J. Grizzle表示，"对于钛合金铰削，我们推荐的材料去除余量是孔径尺寸的3%以下。通常，如果加工表面光洁度出现问题，那么我们就要考虑采用更小的切深。但是，必须非常小心，避免采用过小的切深而造成推挤工件材料的现象。你肯定会找到一个合适的中间值。" John Prosock机械公司的工厂经理Claude Farrington表示，在对钛合金医用接骨螺钉样品进行铰削加工时，加工车间发现，获得成功的要点是为钛合金铰削"留下尽可能小的加工余量"。该车间铰削铝或钢时，加工余量通常为0.28mm。而在铰削钛合金时，加工余量仅为0.013－0.025mm，并且采用了一种含有硫磺的重载加工用黑色切削油进行润滑和冷却。 在工件的对中性至关重要的加工场合，前序钻孔时为铰削预留的加工余量往往较大。在加工像钛合金这种材料时，对于标准铰刀而言，需要去除的加工余量可能太大。因此，可以采用钻铰刀或阶梯铰刀通过一次走刀完成扩孔和精加工。 需要使用冷却液 考虑到钛合金导热性差的特性，在切削时进行有效冷却至关重要。Amamco刀具公司的工厂经理Peter Diamantis说，"如果不使用某种冷却液，加工钛合金将非常困难。" 他指出，Amamco公司生产的钛合金铰刀的几何形状与加工其他金属材料的铰刀几乎完全相同，"但是，我们在钛合金铰刀中加入了冷却液孔，可以沿着切削圆周供给冷却液。"据冷却液生产商Cimcool公司介绍，加工钛合金时，水基冷却液效果非常不错，而可溶性切削油可以提供优异的润滑性能。钛合金供应商Timet公司表示，硫氯化润滑油看来是加工钛合金的最佳切削液，而水基乳化液的使用效果也非常不错，尤其是在加工较软的纯钛牌号时。 加工钛合金时，切削速度是产生切削热的主要因素。Tool Alliance公司副总裁兼销售经理John Forrest说，"与加工许多冷作硬化现象严重的材料(如Inconel合金和一些奥氏体不锈钢合金牌号)一样，切削速度和切削热会使加工变得更加困难。在加工这些材料时，你需要采用刀具供应商推荐的切削速度范围的下限值，以及进给率范围的上限值。较高的切削速度会产生更多切削热，从而使切削更加困难，并造成冷作硬化。" 钛合金供应商Supra Alloys公司赞同这种评价。该公司认为，切削速度对刀尖温度的影响比任何其他单一变量都要大。在一个典型的加工案例中，当硬质合金刀具的表面切削速度从20sfm提高到150sfm时，刀尖温度则从427℃升高到927℃。另一方面，该公司表示，进给率对刀尖温度的影响远不如切削速度的影响大。在同一加工案例中，当进给率从0.05mm/r提高到0.5mm/r时，刀尖温度仅升高了150℃。 因此，如果加工车间希望提高钛合金铰削加工生产率，刀具制造商建议：采用推荐切削速度范围的下限值，并尽量提高进给率，直至出现表面光洁度变差、孔型变形和最终尺寸精度下降的情况，然后再降低进给率，直至这些问题消失为止。 关于切削速度和进给率的推荐值，刀具制造商强调，各种不同的钛合金其加工特性差别极大。纯钛的强度不如钛合金，但其在较低温度下耐化学腐蚀的能力使其在许多腐蚀性环境中特别有用。由于其结构强度较低，因此比钛合金牌号更容易加工。 另一方面，添加合金元素(尤其是钒和铬)后，可以提高钛合金的强度和抗疲劳强度，并要求降低切削速度。例如，某加工车间通常假定，加工一件Ti-6Al-4V工件所需的时间是加工一件钢件的3倍。而另一个加工车间表示，加工合金元素含量高的牌号(如Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)所需的时间通常是Ti-6Al-4V加工时间的2倍。 刀具材料与几何形状 确定刀具材料和几何形状时，必须考虑钛的粘性和弹性。Tool Alliance公司的Forrest说，"钛合金加工要求刀具有锋利的切削刃，对工件进行剪切而不是推挤，因为刀具的推挤会造成工件表面冷作硬化。我们采用尽可能锋利的切削刃来切削钛合金，以更有效地实现剪切加工。" Alvord-Polk公司的刀具工程师Bill Lahr表示，一般来说，加工钛合金并不需要专门设计铰刀几何参数，"如果是高速钢铰刀，我们通常采用M-42钴高速钢牌号，因为它的耐热性和红硬性较好。"据钛合金供应商Timet公司介绍，在许多情况下，高速钢铰刀的使用效果令人满意，而硬质合金铰刀则允许采用更高的表面切削速度，或具有更长的刀具寿命。 至于铰刀的几何槽型，虽然直槽铰刀也可用于铰削钛合金，但通常应优先选用螺旋槽铰刀，因为螺旋运动可使刀具的切削运动具有更大自由度，并能引导切屑流动。此外，如果是铰削通孔，左手螺旋槽铰刀可将切屑及其吸附的热量向前推出孔外。其缺点是，左手螺旋槽铰刀并不能在倒棱处形成真正的正切削角，因此也并非真正意义上的自由切削。在铰削盲孔时，右手螺旋槽铰刀可以提供自由度更大的切削条件，并将切屑向上提升，使其易于排出孔外。它还使切削刃具有更大的正切削角，从而可实现更自由的切削。此外，螺旋槽铰刀的成角路径有助于使铰削交叉孔以及被铰孔中其他中断部位造成的负面影响降至最小。 刀具制造商Mapal公司的Hurd指出，铰刀通常具有圆形刃带或引导切削刃通过被加工孔的导向棱带，但是，由于它们与孔壁发生摩擦，会产生额外的热量。因此，钛合金铰刀的导向棱带要比加工钢或铸铁的铰刀棱带窄一些。 在采用可换刀片式铰刀的情况下，由作用于刀片上的切削压力引起的刀体转矩会推动位于正对孔内径的刀体上的导向刀垫，使刀片定位，对孔进行铰削加工。Hurd介绍说，加工钛合金时，对刀片与刀垫位置关系的处理方式与加工其他材料时有所不同。铰削铝合金时，金刚石刀片的安装方式通常是从导向刀垫向前伸出约3－5μm，因为加工铝合金时，金刚石刀具的磨损量很小，在整个刀具使用寿命期间，刀垫/刀片相互位置关系的变化也极小。然而，在铰削钛合金时，刀片的磨损量很大，磨损速度也很快，最终会导致导向刀垫失灵，因为刀片会很快磨损至导向刀垫的高度。 为了解决这一问题，Mapal公司在刀片上增加了一个称为"F倒棱"的稳定和导向结构。Hurd表示，这条倒棱类似于第二切削角，并且可在很大程度上钝化刀片锋利的切削刃，使其在刀具寿命初期阶段的磨损不至于太剧烈。这样，铰孔尺寸就不会在加工了头几个工件后突然变小，在磨损严重的加工条件下(如铰削钛合金)，就能获得更好的尺寸一致性。 铰削钛合金时，刀片安装方式是从导向刀垫向前伸出大约8－10μm。Stack Strategies Amamco公司的Diamantis指出，许多航空零件制造商用一把刀具进行钻削和铰削加工，以代替"先钻后铰"的两道工序。比单纯铰削钛合金难度更大的是铰削由钛合金和其他材料构成的叠层复合材料。"由于钛合金比较硬，当把它与其他较软的材料(如铝合金或复合材料)叠压在一起时，钛合金的切屑很容易划伤较软材料的孔壁。加工时，必须根据钛合金在叠层中的位置来确定铰刀的槽型方向，以避免划伤孔壁。" Diamantis用"三明治"来形容一种夹心叠层材料，钛合金就像中间的"馅料"，铝合金就像外面的"面包"。在这种材料上铰削通孔时，最好采用螺旋槽铰刀向下切削(用左手螺旋槽铰刀进行右旋切削)，并将切屑向下推。他说，"如果采用常规的(右手螺旋槽)铰刀，将会把切屑推向刚刚铰削过的区域，从而划伤较软材料的孔壁。如果由于加工空间的局限，无法向下切削，事情就会变得有些复杂。那样的话，就必须制造一种铰刀，使其能将切屑封闭在容屑槽中，以防止其划伤孔壁。" Superion Products公司的Grizzle提供了另一种保证孔的精加工质量的方法。在航空零部件加工中，该公司提供的镗铰刀可以精确修正工件上的钻孔位置。他说，"一般来说，标准铰刀只能沿着已有的孔进行加工，而镗铰刀在铰削时却能对孔进行修正。"在加工钛合金等材料时，镗铰刀通常更多地作为粗加工刀具使用，使孔具有更好的直线度，然后再用精加工刀具将尺寸加工到位，并获得要求的表面光洁度。 铰削加工系统 为了获得孔加工的最佳质量和一致性，除了要考虑切削刀具和加工参数以外，还必须严格控制铰削系统的其他要素。机床主轴与工件的对准至关重要。刀具与工件的同心度误差可能会在铰削时引起颤振，在退刀时产生刀痕，以及造成圆锥孔、偏心或孔径过大等缺陷。 由于铰刀基本上是由被铰削孔导向的，因此，钻孔的直线度、同心度也是影响铰孔质量的重要因素。微型刀具切削刃制备服务提供商Conicity Technologies LLC公司执行副总裁Bill Shaffer指出，"用钻尖钝化的钻头钻孔时，它将挤压工件材料而不是切削它，这样就会造成孔壁冷作硬化，硬化层的深度可能只有几微米。其结果是加快了铰刀切削刃的磨损。" Shaffer表示，铰刀最常见的失效模式并不像普遍认为的那样，"通常，一把铰刀要用到它的切削尺寸偏小为止。然后，对其引导角进行重磨后，重新投入使用，直至加工出来的孔测量尺寸再次偏小为止。很少有人能解释清楚，当铰刀的外径尺寸仍然符合要求时，为何能切削出尺寸偏小的孔径，以及为何通过简单地重磨铰刀前部，就能使它再次加工出符合要求的孔径尺寸。" Shaffer认为，孔径尺寸失准与铰刀导向刃上的切削刃磨损直接相关。铰刀切削时，切削刃的逐渐钝化使刀具承受的切削压力和切削热逐渐增加。随着切削刃继续变钝，会产生更多的切削热，这些热量会使工件材料膨胀，而此时铰刀仍在孔中。而当铰刀退出后，工件冷却收缩，并导致孔径尺寸变小。 使铰刀保持锋利可以消除这一问题。但是，全新的、完全锋利的切削刃却缺乏强度，因为切削刃上有许多微崩刃和各种微观缺陷，它们会使切削力集中，并加快刀具磨损。从而使铰刀迅速变钝，产生摩擦和热量，并使铰出的孔径尺寸偏小。 为了去除微小切削刃上的缺陷，并使切削刃具有较好的一致性，Conicity Technologies公司开发了多种切削刃制备系统，它能按照精确控制的尺寸、形状和分布状态研磨切削刃。据称，该系统采用一台CNC数控机床，能在刀具关键部位的切削刃上制备出预先设计好的微观几何形貌。Shaffer声称，对于各种刀具的切削刃，该机床都能以极好的一致性控制其制备尺寸。 Shaffer说，在铰刀切削刃的导向刃上制备一个尺寸为10μm的设计微观几何形貌(EMG)，可以使切削刃的强度提高大约5－8倍。切削刃强度的提高，能有效延缓铰刀前侧面上切削刃的磨损，并能延长切削刃保持完整性的时间，还能延缓切削热的聚集和孔径尺寸偏小现象的出现。其结果是，在铰刀必须重磨之前可以铰削更多的孔。Shaffer说，"每次重磨后都以同样的方式制备切削刃，保持2.5μm的制备尺寸，铰刀的寿命将具有很好的一致性和重复性，而且刀具寿命至少可以延长3倍，最多可以延长20倍。" 对于许多生产车间来说，加工钛合金是一种挑战。而进行铰削这种精加工进一步增加了难度。然而，有关钛合金的独特性能及其对切削刀具影响的知识，对于了解在加工这种奇妙的轻金属时应避免做哪些事情具有很大的帮助。然后，当我们清楚了"不能做的事情"后，就可以将"能做的事情"应用于钛合金铰削，以提高其生产率。(end)

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