钛合金高效铣削工艺

钛合金零件进行铣削时，和其它难加工材料的相同点在于，切削速度只要有很小幅度的提高，就会致使刀具切削刃出现较快的磨损。

各个不同的地方在于，因为钛合金具备强度高、粘性大的特性，所以在切削过程当中，更加容易于切削的区域产生以及积聚热量，再加上它的导热性比较差，若是在大切除量做铣削操作的时候，存在引发燃烧的风险。这便是铣削钛合金零件之时，绝对不可以去选择高切削速度的缘由所在。

但是，钛合金零件加工的速度并非不可提高。当切削速度维持不变时，可借由提升金属去除率的方式来提高零件加工速度。达成这一目标，并非借助使用更大功率或者高档机床，而是配备那种能够充分施展现有机床切削功能的刀具，这种刀具还能够对机床存在的某些不足，像刚性差之类进行补偿。

有一家著名刀具制造商，它专注于钛合金铣削工艺试验研究，这家公司里有一位技术顾问、铣削产品经理Brian先生，他曾接待过很多咨询钛合金铣削技术的用户，本文着重介绍其在钛合金铣削方面的丰富经验。

钛合金的铣削为何会引发人们格外的关注呢，至少存在两个缘由，其一，钛合金主要被运用在高档零件方面，它不但被用于制造飞机的机身以及发动机的零件，而且还被用于制造医疗器械当中的诸多零件，特别针对某些处于壮大进程中的美国制造企业而言，它们必须朝着高档产品进行转移，因而会时常遭遇钛合金零件铣削的技术难题。

还有一个缘由是，并非每一个车间都能够达成高进给速度的加工，所以在钛合金铣削当中，当材料不容易进行加工，或者在加工过程里切削速度不快的时候，借助何种途径才可以达成高效率加工就成了亟待去解决的问题，这引发了制造商的高度重视。

使用高韧性刀具

先生说，实现钛合金高效铣削加工的第一个重要问题，会是切削刀具材料的正确选择。硬质合金刀具能够是一种正确选择，并且机加车间常常习惯把硬质合金当作最好的切削刀具材料，特别是在几乎所有的困难加工里面，通常会选择硬质合金。然而对于钛合金加工，新一代的高速钢会是良好的硬质合金的替代材料。

按道理来讲，那种具备良好耐磨性的硬质合金刀具，是能够在合理的加工成本状况下，去施行高切削速度的。然而，这一所谓的合理加工成本，是以刀具不可或缺的“很高韧性”，或者说是能够抵抗冲击、具备抵抗断裂能力作为前提条件支撑的。可是，令人感到遗憾的是，平常所使用的硬质合金，其脆性要远远大于高速钢。

在铣削钛合金时，这一点有着极其重要的意义。一般来讲，硬质合金刀具失效的主要缘由并非切削刃的磨损，而是刀身的破碎。其次，铣削钛合金进程中切削热的上升，也致使硬质合金刀具无法施展高切削速度加工的优越性。由于在高切削速度下进行加工，要灌注大量冷却液，在这种一热一冷的交替作用下，刀具与工件间会产生强烈的热冲击，会迅速引发脆性大的硬质合金刀具切削刃的破碎。以上的两个技术难题，都必须借助刀具自身固有的高韧性予以解决。普通硬质合金刀具远远无法胜任，切削试验证实，使用高韧性刀具，像高速钢刀具铣削钛合金工件，不用担心切削中冲击产生以及切削刃破裂，特别是在较小刚性机床上加工时，高韧性高速钢刀具会通过加大切削深度而非提高切削速度来达成高金属切削率加工。

于此之外，当下能够提供给用户选择的是大范围的具备高韧性的高速钢刀具材料。多数车间并非全都清楚这种情况。他们同样不晓得，在市场上售卖的高速钢刀具能够经由一些别样的处理程序，像是开展增添某种元素成份的高速钢冶炼（像增添钴含量）实施热处理（多次分级淬火回火），又或者把高速钢材料通过对其制造进程予以严格把控后，制成金相组织均匀的粉末冶金高速钢等。故而价格高昂的高钴高速钢、粉末冶金高速钢皆是用于高效铣削钛合金的理想刀具材料。

高切削温度的控制

有时候会有选择硬质合金刀具的必要，会采用一种小径向切入法来对钛合金零件实施切削，能够达成令人惊叹的高速切削效果见《10%与100%》一节。在这些切削作业当中，刀具不但要处理好一般情形下的耐磨性相关问题，特别要处理好处于高切削温度状况下刀具的耐磨性问题，这一点很关键的，需要利用涂覆硬质合金刀具开展加工。

可以用以进行高刚性加工的有HSK快换刀夹，还有热胀冷缩型刀夹，它们能够在加工期间减少振动，进而使得金属加工去除率得到极大提高。

按照先生所讲，氮化铝钛也就是TiAlN涂层的硬质合金刀具，在加工钛合金时，一般来讲是最佳的选择。在众多的基本刀具涂层类别当中，TiAlN对于维持刀具的综合机械性能，以及在温度上升时维持刀具的高温切削性能，均有着良好的功效。事实上，较高的切削温度对涂层能起到一定的保护作用。铝分子借助切削过程中的加工能量从涂层里释放出来，于刀具表面形成一层氧化铝保护层。这一层氧化铝保护层降低了刀具同工件之间的热传递以及化学元素的扩散。铝分子能在这一刚形成不久的保护涂层中，持续不断地补充更多，使得保持着促使氧化铝保护层形成的化学反应得以继续进行，情况可见《新型富铝涂层》一节。

然而，TiAlN涂层并不适用于在振动较为强烈的场合，在这种情况下，就需要用到氮化碳钛也就是TiCN，它能够防止因振动而产生的涂层剥落。先生说道：“当你使用可换刀片，并且是在一刚度较小的机床上进行强力切削时，尝试TiCN或许是最好的选择。”。

更多切削刃参加切削

即便于切削期间，切削速度保持恒定，铣刀的每齿进给量维持不变，切削深度同样未变，然而有时却能够让生产效率获得提升。在此处，解决方案为促使更多切削刃参与到切削之中。

例如，针对螺旋铣刀而言，要尽可能去挑选小螺距的刀具 ，像螺旋玉米立铣刀这种。运用这种刀具 ，能够让高速钢刀具有更多的切削刃。因为高速钢刀具相比于硬质合金刀具 ，能够提供更为多的切削刃 ，所以前者也就更多地被加以采用。

有一种大螺旋角立铣刀，它就是图示刀具，其每个切削刃都有着和下一个切削刃不一样的轴向前角，这样的变化能够比较好地抑制振动，能极其大地提高生产效率。

采取和进行铣削的方向不同，这是又一个能让更多切削刃参与切削的办法。运用“插铣粗加工”（有时也叫做钻入式粗切）措施，借助一个套装铣刀，就好像顺着Z轴钻孔那般，刀具的端齿以及侧齿，一同依据汇编好的加工程序，开展搭接式加工。故而生产效率较高，排屑同样便利。

这种方法仅能被运用在粗加工方面，原因是每一回两次搭接式加工之间始终都留存着一些呈现扇贝状的尚未被加工的金属。然而因插铣粗加工存在诸多切削刃参与切削，所以当刀具的每齿进给量维持恒定状态时，每分钟的进给速度能够获得极大程度的提升。另外，插铣粗加工的Z轴进给具备的优点还在于能够施展机床的高刚性优势，这是鉴于沿着主轴的具有多样性的连接机构（比如刀夹接口）都必然会沿着X或者Y轴产生挠曲现象，却在Z轴方向产生压缩状况，如此便使得机床在沿着Z轴方向拥有很高的刚度。这意味着可以增大刀具的每齿进给量。

先生讲道，“插铣粗加工乃是针对高强度金属展开高效加工的最为理想的解决办法。提议在钛合金铣削期间，均能够运用这一加工办法。”。

消除振动措施

刀具在切削的时候会产生挠曲，研究当中挠曲产生的原因以及让其消除的课题是非常重要的。这是因为它会引出一个极为重要的技术难题，也就是振动。在钛合金铣削的过程里有振动，从两个方面看它有不利因素。一方面，切削力产生并且增大的时候，都会引发振动，还会加大振动 另一方面，机床主轴转速的高低好像和振动没有关系，所以没办法找到一个能够调适振动的“理想”转速。

实际上，生产效率被大多数钛合金铣削加工由振动所决定着。大量切削试验证实，于钛合金铣削加工里，最大金属切削率的获取，并非在机床输出最大功率之际，而是于极大振动开始的时候发生。这便是要建立以及也能够建立一个可及时控制振动程序的缘由。先生给出建议，若要提高钛合金铣削加工的生产效率，还得留意解决好以下几个技术问题：

刀具跟刀夹之间的联结，刀夹和主轴之间的联结这样的刚度相关事宜，都得让其尽可能尽量确保有足够的刚度。针对刀夹来说，热胀冷缩类型的，给出了最佳的解决办法，对于主轴来讲，HSK快换刀夹跟普通锥度接口相比较，给出了最好的刚度。

为刀具设计出偏心后角，或者设计出具有一带 “棱边” 的刀头结构，这能提供很好的阻尼，进而抑制切削中产生的振动。刀具产生挠曲变形时，具有偏心后角的刀具后刀面会与工件接触，并且会与工件摩擦。并非所有材料都能较好地与工件摩擦，铝合金有粘附趋向。对于钛合金铣削而言，在刀具切削刃上刃磨出的 “棱边”，也会起到一个很好的减震器作用。

把各切削刃之间的排屑槽空间予以转变，针对这样一种刀具结构的设计以及防振举措，好多车间也许尚没有那么熟悉。刀具处于高速旋转的状况下，切削刃会按照一定规则去撞击工件，进而产生振动。要是把铣刀的排屑槽空间设计成不规则的排列方式，经过切削试验验证，将会起到很不错的减振效果。举例来说，当铣刀的第一切削刃与第二切削刃之间的距离是72°的时候，那么第二切削刃与第三切削刃之间的距离就应当是68°，第三切削刃与第四切削刃之间的距离是75°，呈现出不均匀的分布状态。曾获得专利的，由公司设计的，又一种防振措施是，把铣刀切削刃设计成各不相等的轴向前角，如此，也能够取得良好的减振效果。

新型富铝涂层

“Al”分子于TiAlN涂层里是最为活泼的那种，它对于涂层刀具的切削性能有着极大的影响，它能够在刀具表面形成一层氧化铝保护膜，在涂层当中，“Al”分子的含量得以增加，使得这一作用愈发有效。

当然，需要感谢那经过持续改进的、用于生产涂层的气相沉积工艺技术，它能够让TiAlN里的“Al”分子含量持续增多，如此一来，新生成的TiAlN涂层，在不损害韧性的状况下，极为出色地提升了涂层（刀具）的红硬性。公司在今年上半年已经研发出了这种全新的富铝TiAlN涂层刀具。

10%与100%

现如今，有一些车间在技术方面相对比较超前，这些车间已经能够运用硬质合金涂层刀具切削钛合金零件，而切削时采用的是一种小径向切入法，其主要的目的是要解决钛合金加工期间所出现的高切削温度这一技术难题。其切削原理是，在运用小径向切入法进行切削的过程当中，要选择比刀具的半径小许多的径向切削深度来进行径向切入。之所以选择很小的切削深度，是因为这样能够大大地提高切削速度，极大地减少每个切削刃切削时间，也就是减少了切削刃的加工时间，同时延长了非切削时间，也就是增加了切削刃的冷却时间，从而极好地控制了切削温度。

按照公司的 Brian 先生所讲，运用小径向切入法去切削钛合金零件，能够极为出色地把控切削温度，与此同时还能够达成高速度加工。小径向切深并不会产生高金属去除率，然而在工厂里面运用这种方法，能够提升加工精度。

切削试验是由先生开展的，此试验证实，于钛合金零件进行铣削操作时，若运用小径向切入法来加工，那么将会依照下列规律进行：

若径向切削的深度小于直径的百分之二十五，那么就能提升百分之五十的切削速度，也就是sfm，通常会超过用于重切削时的额定速度。

当径向切削深度小于直径的10%时，可100%的提高切削

宝鸡晨源金属材料有限公司，专注锻造工艺，历经十余年时间，致力于打造钛棒，通过3D打印制钛起粉钛棒，还有与锻件不同，质地有别的钛靶，以及钛板，钛丝等，钛及钛合金这一类材料。

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