1 、序言

鈦合金是航空航天領(lǐng)域常用的難加工材料之一。鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性好及高溫和低溫性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于航天、航空、醫(yī)學(xué)、航海和汽車等行業(yè)[1]。 TA15材料是常見的鈦合金牌號(hào)，其屬于高Al含量的近α型鈦合金，具備α型鈦合金良好的熱強(qiáng)性及可焊性，又具有接近α+β型鈦合金良好的工藝塑性。未退火時(shí)，TA15 具有中等的室溫和高溫強(qiáng)度、良好的熱穩(wěn)定性以及焊接性能，相比 TC4 鈦合金具有更高的室溫、高溫強(qiáng)度以及焊接性能，硬度稍大于40HRC。

由于鈦元素化學(xué)活性大、材料彈性模量低、切削溫度高、切屑和刀具的前刀面接觸面積小、摩擦系數(shù)大且加工硬化嚴(yán)重，導(dǎo)致TA15鈦合金加工性能較差[2]。 TA15鈦合金銑削加工時(shí)應(yīng)當(dāng)注意刀具選擇，在深腔銑削時(shí)要注意加工策略的選擇。

2、 TA15鈦合金銑削加工刀具選擇

TA15鈦合金銑削加工要求刀具應(yīng)當(dāng)保持較小的切削力、較強(qiáng)的耐熱性及抗磨損性。在選擇加工刀具時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循以下原則。

2.1 轉(zhuǎn)位刀片式銑削刀具涂層的選擇

鈦合金加工的難度主要為切削溫度高，材料導(dǎo)熱性差造成刀具磨損快，壽命低。刀具涂層能減少刀具材料與鈦合金之間的摩擦，減少切削熱；也能屏障切削熱對(duì)刀具的影響[3]。因此加工鈦合金刀具的壽命多取決于涂層的選擇。

刀具涂層分為P V D（物理氣相沉積）涂層、CVD（化學(xué)氣相沉積）涂層。CVD涂層能有效抵御切削過程中高溫的影響，適宜于粗加工刀具；PVD涂層厚度較小，有利于保證刀具幾何精度，適宜于精加工刀具。鈦合金加工需要鋒利的刀具刃口，減少切削力及切屑與刀具的摩擦。因此優(yōu)選PVD涂層。

涂層材料推薦使用AlTiN，與單一的TiN涂層相比，具有很高的高溫硬度和優(yōu)良的抗氧化性能，在切削過程中涂層中的Al元素氧化生成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的Al2O3，對(duì)刀具起到保護(hù)作用。AlTiN目前已經(jīng)成為新一代優(yōu)質(zhì)刀具的主流涂層選擇，成本較低，經(jīng)濟(jì)性較好。

基于此，鈦合金銑削刀具優(yōu)選PVD+AlTiN涂層。常見刀具品牌中，伊斯卡刀具推薦采用涂層牌號(hào)I C882，山特維克可樂滿刀具推薦采用涂層牌號(hào)G C1025，肯納金屬刀具推薦采用涂層牌號(hào)KC5525。

2.2 轉(zhuǎn)位刀片式銑削幾何參數(shù)的選擇

（1）主偏角的選擇 主偏角的不同影響主軸方向施加力、切屑厚度等。圖1所示為常用不同主偏角。

90°主偏角能直接加工出垂直臺(tái)階面，具備通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，切削力完全沿徑向，隨著主偏角的減少，切削力沿軸向的分力越來越大。

銑削深腔或大深度臺(tái)階面時(shí)，刀具懸深較大，刀桿剛性較差，不適于選擇90°主偏角。隨著主偏角減少，同等進(jìn)給量條件下，切屑厚度大大減少；根據(jù)現(xiàn)行薄切屑理論，主軸沿X、Y方向切削力大大降低，可選擇大進(jìn)給量、小切削深度、一定切寬的加工策略[4]。這也是目前大進(jìn)給量銑削刀具的理論基礎(chǔ)。選用小直徑銑刀刀柄、快進(jìn)給刀片和強(qiáng)力夾持夾頭組成的刀具系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)高效加工的同時(shí)，體現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)性。小直徑快進(jìn)給刀具系統(tǒng)如圖2所示，其相應(yīng)刀片幾何參數(shù)及性能參數(shù)如圖3所示。

主偏角的選擇優(yōu)選小主偏角，推薦使用主偏角為10°～25°的快進(jìn)給銑刀。

（2）軸向前角、徑向前角的選擇 軸向前角、徑向前角按其角度值的正負(fù)進(jìn)行組合，分為正負(fù)、正正、負(fù)正、負(fù)負(fù)多種組合。鈦合金加工應(yīng)優(yōu)選正軸向前角、正徑向前角，能減少切削力，排屑遠(yuǎn)離零件，適宜加工如鈦合金等硬度較低的金屬材料[5]。

（3）齒距及齒數(shù) 為抑制刀具切削過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，推薦使用不等齒距刀具。圖4為不等齒距離示意。鈦合金加工過程中不推薦使用密齒刀具。

2.3 整體硬質(zhì)合金銑削幾何參數(shù)的選擇

整體硬質(zhì)合金銑刀在加工鈦合金時(shí)，除上述刀具涂層原則、不等齒距原則和正徑向前角原則，還應(yīng)注意螺旋升角的選擇。

大螺旋升角意味著刀具切削過程更大的切削刃長，帶來更大的接觸面積，抑制刀具切入切出帶來的振動(dòng)，從而提高刀具壽命。太大的螺旋升角不利于刃口強(qiáng)度，因此螺旋升角應(yīng)適當(dāng)?shù)卮?，推薦30°～40°。圖5所示為螺旋升角對(duì)切削刃長的影響示意。

3 、TA15鈦合金零件銑削加工實(shí)例

某零件三維結(jié)構(gòu)如圖6所示，材料TA15，在首次加工中主要存在的問題：一是加工深腔過程中，刀具易折斷；二是切削余量較大，加工過程中刀片磨損嚴(yán)重。

為解決上述問題，從刀具選擇及加工策略兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

3.1 刀具型號(hào)選擇

依據(jù)本文提及的刀具選用原則，在轉(zhuǎn)位刀片式銑削時(shí)，選擇快進(jìn)給刀具減少刀具磨損。

加工深腔特征目前使用刀片及刀桿情況見表1。

實(shí)際使用中刀具磨損特點(diǎn)如下所述。隨著加工時(shí)間變長，后刀面磨損經(jīng)歷了刀具涂層脫落→刀具刃口發(fā)生磨損，出現(xiàn)白色的磨損帶→磨損帶寬度加大，刀具刃口出現(xiàn)鋸口狀崩刃→刀具刃口磨損寬度變大，刀具刃口在最大切削深度附近出現(xiàn)月牙狀磨損，刀具基本失去切削能力，切削時(shí)機(jī)床振動(dòng)加劇，主軸負(fù)荷百分比迅速增加。

在刀具不同磨損階段，切屑狀態(tài)不一致，如圖7所示，左側(cè)為磨損后期，切屑首部及尾部對(duì)應(yīng)刀具的切入、切出加工階段，形成不規(guī)則的分叉及翻邊；右側(cè)為刀具未磨損狀態(tài)，切屑首部及尾部光順。

3.2 加工策略的改進(jìn)

改變編程方式、走刀方式及最大程度降低刀具徑向所受切削力，采用深腔動(dòng)態(tài)銑削和插銑清根的組合方式進(jìn)行探索嘗試。

下面以一個(gè)典型深腔（圖6紅色標(biāo)注部位）加工特征進(jìn)行詳細(xì)說明。加工特征：腔深180mm，拐角圓角半徑8.5mm，根部圓角2mm，采用正常腔銑削時(shí)，走刀路徑采用Outward helical，所購某品牌快進(jìn)給刀具f16mm進(jìn)給率最高120mm/min，拐角降速50%，切削深度最高0.8mm，轉(zhuǎn)速400～600r/min，加工過程中直接折斷，加工側(cè)壁出現(xiàn)過切及啃刀現(xiàn)象。采用動(dòng)態(tài)銑削時(shí)，走刀路徑采用Concentric，進(jìn)給率180mm/min，切削深度1mm，轉(zhuǎn)速600r/min，走刀路徑仿真如圖8所示。實(shí)際仿真效果如圖9所示，動(dòng)態(tài)銑削后拐角處有殘留（綠色部分），刀具刀片及刀桿壽命良好，加工側(cè)壁質(zhì)量良好，拐角處刀具切削狀態(tài)良好。拐角處殘留采用插銑來最大程度降低刀具徑向所受切削力，提高刀具的使用壽 命。拐角處插銑路徑仿真如圖10所示，實(shí)際仿真效果如圖11所示。插銑切削參數(shù)轉(zhuǎn)速600r/min，進(jìn)給率200mm/min。

4、 注意事項(xiàng)

鈦合金零件銑削加工過程中注意刀具選擇及加工策略選擇。

1）刀具選擇應(yīng)優(yōu)選PVD+AlTiN涂層，不等齒距、正徑向前角；轉(zhuǎn)位刀片選擇注意正軸向前角；選用小直徑銑刀刀柄、快進(jìn)給刀片和強(qiáng)力夾持夾頭組成的刀具系統(tǒng)；整體硬質(zhì)合金刀具選擇較大螺旋升角。

2）深腔加工過程中，通過改變編程方式、走刀方式及最大程度降低刀具徑向所受切削力，采用深腔動(dòng)態(tài)銑削和插銑清根的組合方式進(jìn)行探索嘗試，有效解決了刀具斷刀及刀片磨損的情況，同時(shí)零件加工質(zhì)量得到有效保證。

5、 結(jié)束語

通過在現(xiàn)場反復(fù)試驗(yàn)、摸索參數(shù)、改變策略，形成以上可行有效的加工方案，一定程度上解決了TA15材料零件的加工問題。該方案的順利完成可以直接推廣到多項(xiàng)產(chǎn)品中，對(duì)后續(xù)鈦合金類零件的加工過程控制具有非常重要的借鑒和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳爽，張葆青，閆石. 鈦合金加工特性分析及刀具選擇[J]. 工具技術(shù)，2011，45（4）：58-62.

[2] 江洪，張曉丹. 國內(nèi)外鈦合金研究及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2017（3）：7-10.

[3] 金屬加工雜志社，哈爾濱理工大學(xué) . 數(shù)控刀具選用指南[M]. 2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[4] 黃天佑. 材料加工工藝[M]. 2版. 北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[5] 孫康寧，張景德. 工程材料與機(jī)械制造基礎(chǔ) 上冊[M].3版. 北京：高等教育出版社，2019.

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