鈦合金薄壁腰形深窄槽數(shù)控銑削加工方法

01序言鈦合金強(qiáng)度高、密度小、耐熱性好，同時(shí)還具有較高的疲勞壽命和優(yōu)良的耐腐蝕性能，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、輪盤和葉片等重要零部件的首選材料。鈦合金材料的切削加工性能只有普通鋼的20%～30%[1]，是一種典型的難切削材料。一種新型鈦合金航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁復(fù)雜擴(kuò)壓器機(jī)匣需要加工16個(gè)寬約9.2mm、深54.5mm、弧長約80mm的深槽（見圖1），相鄰兩處腰形槽最小壁厚約2.2mm。鑒于深窄槽結(jié)構(gòu)的特殊性，加工時(shí)只能選用直徑小、懸伸長的銑刀，切削加工時(shí)易產(chǎn)生振刀、崩刃現(xiàn)象，同時(shí)刀尖冷卻效果差、排屑難，切削溫度高，產(chǎn)生讓刀和表面加工硬化現(xiàn)象，存在切削效率低、刀具壽命短以及尺寸難以加工合格等問題，是目前加工制造中的難題之一。

圖1

薄壁擴(kuò)壓器深槽結(jié)構(gòu)示意02工藝方案試驗(yàn)腰形深窄槽數(shù)量多，材料去除量大，加工時(shí)須保證較高的加工效率，經(jīng)過分析，排除擺線銑和動(dòng)態(tài)銑加工方案，制定了插銑法和分層銑削法兩種主要加工方案，兩種方案都先采用φ8mm鉆頭鉆通，然后用φ8mm合金銑刀進(jìn)行銑削，根據(jù)銑削方式、切削參數(shù)的不同，分別進(jìn)行工藝試驗(yàn)。2.1

插銑法試驗(yàn)插銑法，又稱為Z軸銑削法，是實(shí)現(xiàn)高切除率金屬切削的最有效加工方法之一。其加工原理是：刀具沿軸向連續(xù)地上下進(jìn)刀，主要作用力為軸向切削力，大大降低了作用于機(jī)床的徑向切削力，即使刀具懸伸長度較大，仍具有較高的加工剛性，能夠減小零件變形，保證加工穩(wěn)定性[2]。插銑法的加工效率遠(yuǎn)高于常規(guī)的端面銑削方法。試驗(yàn)中雖然缺少專用的插銑刀，但是鑒于插銑法在深槽加工方面的優(yōu)勢(shì)，采用普通合金銑刀對(duì)腰形槽進(jìn)行了插銑加工工藝試驗(yàn)，其切削參數(shù)和試驗(yàn)效果見表1。

表1

插銑切削參數(shù)和試驗(yàn)效果

分析表1可知，切削寬度較大時(shí)，效率高，但加工振動(dòng)大，刀具易崩斷；減小切削寬度后，效率有所降低，刀具磨損較快，同時(shí)零件振動(dòng)較大，存在一定的質(zhì)量和安全隱患。

由于該零件為新型號(hào)研制件，工藝準(zhǔn)備條件有限，本次工藝試驗(yàn)采用了組合夾具和普通銑刀，零件裝夾剛度一般，且機(jī)匣最小壁厚僅為2.1mm，插銑過程中易振刀，同時(shí)普通合金銑刀插銑加工壽命低，最終導(dǎo)致了插銑加工試驗(yàn)效果不夠理想。反之可以得出以下結(jié)論：當(dāng)零件整體剛性好、專用夾具設(shè)計(jì)合理、裝夾方式良好，以及專用插銑刀具壽命較高的前提下，采用插銑法可以實(shí)現(xiàn)鈦合金腰形深窄槽的高效加工。

2.2

分層銑削法試驗(yàn)

針對(duì)鈦合金薄壁腰形深窄槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定采用常規(guī)的銑削方法進(jìn)行分層銑削，銑削前使用φ8mm合金鉆頭在腰形圓弧兩端處預(yù)鉆φ8mm通孔，有助于銑刀加工時(shí)下刀和加工時(shí)排屑及刀具冷卻。依據(jù)鈦合金切削加工經(jīng)驗(yàn)，線速度對(duì)刀具壽命影響最大，線速度越高，刀具磨損越快，因此對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了小范圍調(diào)整，分層銑削加工切削參數(shù)對(duì)試驗(yàn)效果的影響見表2。

表2

分層銑削加工切削參數(shù)對(duì)試驗(yàn)效果的影響

表2中，切削深度和進(jìn)給速度的調(diào)整大致分為兩類：大切削深度、小進(jìn)給速度和小切削深度、大進(jìn)給速度，表中第1、2項(xiàng)參數(shù)屬于切削深度較大、進(jìn)給速度較小的情況，刀具易崩斷。第3、4項(xiàng)為切削深度小、進(jìn)給速度較大的加工情況，這兩種方案加工效率相對(duì)較低，但是刀具不崩刃，能夠穩(wěn)定地進(jìn)行切削加工。第4項(xiàng)加工參數(shù)屬于小切削深度、低轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給速度的情況，刀具壽命較高，加工穩(wěn)定性最好。

試驗(yàn)研究證明“小切削深度、低轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給速度”的銑削方案加工鈦合金薄壁腰形深窄槽具有較高的加工穩(wěn)定性及加工效率，特別是新型號(hào)研制過程中，該銑削方案為加工同類深窄槽結(jié)構(gòu)零件提供了一種解決問題的方向。

03分層銑削加工工藝方法研究從以上試驗(yàn)結(jié)果分析得出結(jié)論，采用“小切削深度、低轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給速度”的分層銑削方式更適合該零件的深窄槽加工，但需要進(jìn)一步對(duì)零件的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以此來提高加工效率。

3.1

刀具的優(yōu)化（1）刀具材料的選擇在鈦合金深窄槽銑削加工中，刀具的磨損首先與刀具材料選擇有關(guān)。一般高速鋼刀具耐熱性差，切削刃口局部高溫會(huì)加劇刀具磨損，使鈦合金零件的加工精度難以保證，只能對(duì)鈦合金進(jìn)行低速粗加工。YG類硬質(zhì)合金刀具與鈦合金親和力較小，更加適合鈦合金切削加工，可優(yōu)先選用具有更高硬度和耐熱性的超細(xì)晶硬質(zhì)合金銑刀和具有較長刀具壽命的涂層硬質(zhì)合金銑刀，可有效提高加工效率和加工質(zhì)量。（2）刀具結(jié)構(gòu)的選擇刀具的幾何參數(shù)對(duì)鈦合金加工表面質(zhì)量起決定性作用，切削力大小、排屑效果、刃口強(qiáng)度和加工變形等都與刀具的幾何參數(shù)有直接關(guān)系。在薄壁深窄槽的銑削加工中既要考慮刀齒有較大的容屑空間，又要考慮選用合理的齒數(shù)以提高加工效率，還要考慮整體硬質(zhì)合金銑刀在懸伸過長、抗彎強(qiáng)度下降情況下，易產(chǎn)生振動(dòng)和讓刀，導(dǎo)致刀具磨損加快和斷刀?；谝陨弦蛩?，在本次腰形深窄槽加工方案中共選用了3把4齒不等距結(jié)構(gòu)的整體硬質(zhì)合金銑刀，2把銑刀用于粗銑加工，1把銑刀用于精銑加工，如圖2所示。使用不等齒距刀具的好處在于它們能中斷諧振，從而提高穩(wěn)定性，這對(duì)于高徑向切削寬度ae和大懸伸長度的切削加工特別有效。

圖2

整體硬質(zhì)合金銑刀

3.2

加工工藝優(yōu)化（1）銑削方式的優(yōu)化在腰形深窄槽的加工中，提高刀具強(qiáng)度、增加刀具剛性是提高刀具壽命和加工效率的重要途徑，刀具剛性與切削用量成正比關(guān)系，增加刀具剛性能夠大幅提高加工精度和加工效率，其方法如下。1）粗銑過程分為兩個(gè)工步。優(yōu)化后，首先采用一把φ8mm、懸伸45mm、切削刃長40mm的不等距整體硬質(zhì)合金銑刀，粗銑加工深度為39mm；然后采用一把φ

8mm、刀具懸伸為65mm、切削刃長20mm的不等距整體硬質(zhì)合金銑刀，完成39～56.5mm深度的加工。優(yōu)化后兩把刀在切削過程中的振動(dòng)和刀具耐磨性明顯優(yōu)于切削試驗(yàn)時(shí)用的φ8mm、懸伸為65mm、切削刃長60mm的銑刀，刀具壽命由原來的0.5h提高至6h，由此可看出在相同刀具直徑、結(jié)構(gòu)和材料的情況下，可通過減小刀具長度和減小切削刃長來提高立銑刀的剛性。

2）第二次粗銑時(shí)適當(dāng)減小槽寬編程尺寸，避免槽壁干涉?？紤]到第1把粗銑刀加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象，且第2把粗銑刀切削時(shí)刃長只有20mm，不足最大銑削深度56.5mm，在加工時(shí)腰形槽側(cè)壁與刀桿發(fā)生擠壓干涉，導(dǎo)致打刀。因此編程時(shí)將第二把銑刀加工的槽寬尺寸相對(duì)第1把銑刀減少0.2mm，例如第1把銑刀加工槽寬的編程尺寸為9mm，那么第2把銑刀槽寬應(yīng)按8.8mm編程，可避免刀桿與槽壁發(fā)生干涉；也可以第1把刀粗銑完后，在整個(gè)深度39mm上按槽寬9.1mm進(jìn)行槽形輪廓半精銑，確保槽寬9.1mm加工到要求尺寸，再用第2把刀完成39～55mm深度的粗銑加工任務(wù)，最后用全刃長的3號(hào)刀按每層10mm的深度分層精銑至最終尺寸。

（2）加工程序優(yōu)化利用宏程序減少空刀行程，切削效率可提升一倍。在深槽粗銑過程中，傳統(tǒng)的分層程序（見圖3）的走刀方式一般是每層切削深度為1mm，分層下刀走57次循環(huán)后將深槽銑通。由于槽寬約9mm，銑刀直徑8mm，當(dāng)?shù)毒呙繉訌淖蟮接依@槽形輪廓的切削過程中，每次左邊半粗銑時(shí)切削寬度為滿刀ae=8mm，而在右邊粗銑時(shí)切削寬度ae=1mm。槽左右走刀軌跡如圖4所示，右半邊粗銑時(shí)材料去除量只有左半邊粗銑時(shí)的1/8，切削效能明顯還有很大的提升空間。

圖3

傳統(tǒng)分層程序

圖4

槽左右走刀軌跡

針對(duì)此加工情況可利用宏程序進(jìn)行走刀策略優(yōu)化（見圖5），具體如下。

1）首先在腰形槽兩端圓弧中心A點(diǎn)和B點(diǎn)處用φ8mm鉆頭將工件底部鉆通。2）用φ8mm銑刀從A點(diǎn)下刀至（Z－1）mm，沿腰形槽左邊圓弧逆時(shí)針方向走刀至B點(diǎn)圓弧處，圓弧加工完后從B點(diǎn)處退刀。3）從B點(diǎn)處下刀至（Z－2）mm，沿腰形槽右邊圓弧逆時(shí)針方向走刀至A點(diǎn)圓弧處，圓弧加工完后再從A點(diǎn)處退刀。

圖5

宏程序走刀策略優(yōu)化

原編程方式繞槽形輪廓銑削一周加工深度為1mm，改進(jìn)后繞腰形槽輪廓銑削一周的加工深度為2mm，原來需分層進(jìn)刀循環(huán)57次，現(xiàn)只需分層進(jìn)刀循環(huán)29次就可完成深槽粗銑加工，切削效率可提高一倍。改進(jìn)后的加工程序具體如下。

%O2000(AJ1502000)(T1HJXD2B151-1567D=8.)……N3T1M6N4#1=-1.N5#2=1.N6#3=-56N9G0G90G54X40.653Y93.094S1000M3N10G43H1Z100.M08N11Z25.N12Z3.N13WHILE[#1GE#3]DO1；當(dāng)深度≥－56mm時(shí)跳轉(zhuǎn)到N38END1N14G1Z#1F50

；T1號(hào)刀從A點(diǎn)Z－1開始加工N15G41D1G64X40.314Y92.816F30；順銑方式……N18G2X86.937Y51.395I-40.417J-92.552F200.N19G3X87.446Y51.105I.509J.301F26.；B點(diǎn)圓弧處降速加工……N24G1G40G60X87.446Y51.696F50.N25#1=#1-#2

；到達(dá)B點(diǎn)后Z值深度下降1mmN26G01Z#1F50.；從B點(diǎn)Z－2開始加工……N30G3X40.89Y93.636I-87.955J-51.997F200N31X40.653Y93.686I-.237J-.542F26.；A點(diǎn)圓弧處降速加工……N36G1G40G60X40.653Y93.094F50N37#1=#1-#2；到達(dá)B點(diǎn)后Z值深度再下降1mm，當(dāng)

#1=－56時(shí)T1號(hào)刀完成加工N38END1N39G0Z100.N40M5N41M09N80M30

（3）加工細(xì)節(jié)的處理包括以下內(nèi)容。1）順銑、逆銑走刀方式的選擇。數(shù)控機(jī)床采用的是滾珠絲杠傳動(dòng)，可以通過預(yù)緊方式消除工作臺(tái)進(jìn)給間隙。數(shù)控加工中在機(jī)床、夾具和工件允許的情況下，總是優(yōu)先選擇順銑。在深窄槽的粗、精加工中也采用了順銑切削方式，其優(yōu)勢(shì)有：在周邊輪廓順銑中，可防止切削刃在吃刀前產(chǎn)生磨損和擦傷深槽已加工表面；另外，不管是在切削力的大小控制、刀具壽命提高等方面，還是在加工表面質(zhì)量和切削平穩(wěn)性方面，只要不是帶硬皮或不規(guī)則、夾雜的毛坯表面，順銑就都優(yōu)于逆銑。在數(shù)控程序編制中，選擇了G41刀具半徑左補(bǔ)償方式，也就相當(dāng)于選擇順銑方式，其順銑、逆銑走刀判斷如圖6所示。

a）腰形槽順銑走刀路徑

b）順銑切削示意c）腰形槽逆銑走刀路徑

d）逆銑切削示意圖6

順銑、逆銑走刀判斷

2）內(nèi)輪廓加工圓弧半徑小于刀具半徑2倍時(shí)的圓弧走刀降速處理方法。在試驗(yàn)加工過程中銑刀每次加工圓弧1和圓弧2時(shí)刀具易產(chǎn)生振動(dòng)大，圓弧尺寸讓刀嚴(yán)重，夾角41°±20′難以加工合格，內(nèi)輪廓圓弧走刀如圖7所示。其原因?yàn)椋核庸さ膱A弧半徑只比刀具半徑大0.6mm，一般鈦合金正常加工時(shí)徑向切削寬度ae推薦為刀具直徑的15%，而此處圓弧加工時(shí)徑向切削寬度ae已經(jīng)達(dá)到刀具直徑的87%，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重讓刀和振動(dòng)，甚至導(dǎo)致刀具斷裂。

a）腰形槽R

4.6mm圓弧示意b）銑刀與R4.6mm圓弧接觸示意圖7

內(nèi)輪廓圓弧走刀

針對(duì)這種刀具幾乎全直徑圓弧接觸加工情況，在其他切削參數(shù)無法優(yōu)化的情況下，可以通過降低進(jìn)給速度來優(yōu)化切削狀態(tài)，其參考公式為Fy=（R－Rc）Fz/R式中，F(xiàn)y是圓弧進(jìn)給速度（mm/min）；R是加工圓弧半徑（mm）；Rc是加工刀具半徑（mm）；Fy是直線進(jìn)給速度（mm/min）。

優(yōu)化后的圓弧進(jìn)給速度：Fy=（4.6－4）×200/4.6=26.09（mm/min）。

此方法主要適用于內(nèi)輪廓加工時(shí)圓弧半徑小于刀具半徑2倍的情況，其具體加工程序見上述O2000號(hào)加工程序。

3）切削溫度的控制。鈦合金材料具有高強(qiáng)度、低熱傳導(dǎo)率的特性，在加工中熱量不易隨切屑排出或被工件吸收，而是積聚在切削刃上，其干切時(shí)可產(chǎn)生高達(dá)1200℃的高熱量。如果冷卻效果不好將加劇刀具磨損，縮短銑刀壽命，造成斷刀現(xiàn)象發(fā)生。鈦合金深窄槽加工中最好是采用高壓內(nèi)冷和外部冷卻相結(jié)合的冷卻方式，其冷卻效果最好。在本次加工過程中，選用的是不帶內(nèi)冷