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钛合金的铣削加工
 
发布日期:[2008-10-01]    共阅[2962]次
    与其他大多数金属材料加工相比,钛加工不仅要求更高,而且限制更多。这是因为钛合金所具有的冶金特性和材料属性可能会对切削作用和材料本身产生严重影响。但是,如果选择适当的刀具并正确加以使用,并且按照钛加工要求将机床和配置优化到最佳状态,那么就完全可以满足这些要求,并获得令人满意的高性能和完美结果。传统钛金属加工过程中碰到的许多问题并非不可避免,只要克服钛属性对加工过程的影响,就能取得成功。


钛的各种属性使之成为具有强大吸引力的零件材料,但其中许多属性同时也影响着它的可加工性。钛具备优良的强度-重量比,其密度通常仅为钢的60%。钛的弹性系数比钢低,因此质地更坚硬,挠曲度更好。钛的耐侵蚀性也优于不锈钢,而且导热性低。这些属性意味着钛金属在加工过程中会产生较高和较集中的切削力。它容易产生振动而导致切削时出现震颤;并且,它在切削时还容易与切削刀具材料发生反应,从而加剧月牙洼磨损。此外,它的导热性差,由于热主要集中在切削区,因此加工钛金属的刀具必须具备高热硬度。
稳定性是成功的关键所在

某些机加工车间发现钛金属难以有效加工,但这种观点并不代表现代加工方法和刀具的发展趋势。之所以困难,部分是因为钛金属加工是新兴工艺,缺少可借鉴的经验。此外,困难通常与期望值及操作者的经验相关,特别是有些人已经习惯了铸铁或低合金钢等材料的加工方式,这些材料的加工要求一般很低。相比之下,加工钛金属似乎更困难些,因为加工时不能采用同样的刀具和相同的速率,并且刀具的寿命也不同。即便与某些不锈钢相比,钛金属加工的难度也仍然要高。我们固然可以说,加工钛金属必须采取不同的切削速度和进给量以及一定的预防措施。其实与大多数材料相比,钛金属也是一种完全可直接加工的材料。只要钛工件稳定,装夹牢固,机床的选择正确,动力合适,工况良好,并且配备具有较短刀具悬伸的ISO 50主轴,则所有问题都会迎刃而解——只要切削刀具正确的话。

但在实际铣削加工中,钛金属加工所需的条件不容易全部满足,因为理想的稳定条件并不总是具备。此外,许多钛零件的形状复杂,可能包含许多细密或深长的型腔、薄壁、斜面和薄托座。要想成功加工这样的零件,就需要使用大悬伸、小直径刀具,这都会影响刀具稳定性。在加工钛金属时,往往更容易出现潜在的稳定性问题。
必须考虑振动和热

非理想环境还包含其它因素,其中之一就是大多数机床目前装配的是IS0
40主轴,如果高强度地使用机床,就无法长时间保持新刀状态。此外,如果零件结构较复杂的话,通常就不易有效夹紧。当然挑战还不止于此,切削工序有时必须用于全槽铣、侧削或轮廓铣削,所有这些都有可能(但并非必定)产生振动及形成较差的切削条件。重要的是,在设定机床时,必须始终注意提高稳定性以避免振动趋势。振动会造成刀刃崩碎、刀片损坏并产生不可预见和不一致的结果。一种改进措施便是采用多级夹紧,使零件更靠近主轴以有助于抵消振动。

由于钛金属在高温下仍能保持其硬度和强度,因而切削刃会遭遇高作用力和应力,再加上切削区中产生的高热,就意味着很可能出现加工硬化,这会导致某些问题产生,特别是不利于后续切削工序。因此,选择最佳的可转位刀片牌号和槽形是加工能否取得成功的关键。过去的历史证明,细晶粒非涂层刀片牌号非常适用于钛金属加工;如今,具有PVD钛涂层的刀片牌号更可大大改进性能。
精度、条件和正确的切削参数

刀具轴向和径向上的跳动精度也很重要。例如,如果未将刀片正确地安装到铣刀中,则铣刀周围的切削刃会迅速损坏。在切削钛金属时,其它一些因素,例如刀具制造公差不良、磨损和刀具受损、刀柄有缺陷或质量差、机床主轴磨损等等,都会在很大程度上影响到刀具寿命。观察结果表明,在所有加工表现不佳的案例中,80%都是由这些因素所造成。尽管大多数人喜欢选用正前角槽形刀具,但事实上稍带负前角槽形的刀具能以更高的进给去除材料,并且每齿进给量可达0.5mm。但是这同时也意味着必须保持最佳稳定状态,即机床应非常坚固,且装夹应极其稳定。

除进行插铣(最好使用圆刀片)之外,应尽量避免使用90主偏角,这样做通常有助于提高稳定性和获得总体性能,当在浅切深下使用时尤应如此,在进行深腔铣时,一种值得推荐的做法是通过刀具接柄而使用长度可变的刀具,而不是在整个工序中使用单一长度的长刀具。

调整切削参数以克服因降低每齿进给量而引起的振动是传统的解决方法,但这种方法并不恰当,因为它会对刀具寿命和切削性能产生灾难性影响。可转位刀片需要一定量的切削刃倒圆,以增加切削刃强度和获得更好的涂层粘附力。

在铣削钛金属时,要求刀具至少以最小的进给量工作——通常为每齿0.1mm。如果仍有振动趋势,则刀片损坏或刀具寿命缩短问题将不可避免。可能的解决方法包括精确计算每齿进给量,并确保它至少为0.1mm。

另外也可降低主轴转速,以达到最初的进给率。如果使用最小的每齿进给量,而主轴转速却不正确,则对刀具寿命的影响可高达95%。降低主轴转速通常可提高刀具寿命。

一旦确立了稳定工况,就可相应地提高主轴转速和进给量来获得最佳性能。另一种做法是从铣刀中取出一些刀片或选择含刀片较少的铣刀。

 
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