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鉸削鈦合金是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的加工任務(wù)，但新型刀具可以為生產(chǎn)車間提供征服這種難加工材料的利器。
任何從事金屬切削加工的人都知道，孔加工并不只是鉆一個(gè)孔那樣簡(jiǎn)單。刀具制造商Mapal公司北美銷售經(jīng)理Brian Hurd總結(jié)了孔加工的基本步驟：“首先通過(guò)鉆孔去除材料；然后通過(guò)鏜孔確定孔的位置；最后通過(guò)鉸孔確定孔的尺寸?！?br /> 通常，鉸孔是實(shí)現(xiàn)孔的功能性的關(guān)鍵步驟。作為孔加工的最終工序，鉸削只去除少量工件材料，它的主要目的在于獲得光滑而一致的內(nèi)孔表面光潔度。
在確定生產(chǎn)性鉸削加工最佳刀具和切削參數(shù)的關(guān)鍵要素中，最重要的是工件材料的特性。由于鈦合金具有諸多獨(dú)一無(wú)二的特性，因此其鉸削加工要比普通材料孔的精加工復(fù)雜得多。
更輕、更強(qiáng)韌的鈦合金
鈦合金的標(biāo)志性特性之一就是其優(yōu)異的強(qiáng)度/重量比。鈦的密度僅為鋼的大約60%，但其拉伸強(qiáng)度卻高于大部分鋼合金。由于鈦的彈性比典型的鋼大約高一倍，因此將其應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件時(shí)，能夠提供優(yōu)異的耐久性和抗疲勞性。鈦合金表面自然形成的、穩(wěn)定而連續(xù)的氧化層可起到耐腐蝕的保護(hù)層作用，并使材料具有化學(xué)惰性和生物適應(yīng)性。鈦的熔點(diǎn)比鋼高大約200℃，比鋁高大約1,100℃。
隨著鈦合金的應(yīng)用范圍日益廣泛，對(duì)其進(jìn)行精密鉸孔的需求也不斷增加。但是，使鈦合金如此有用的這些特性也使其很難加工。盡管其初始切削力只比切削同等硬度的鋼時(shí)稍高一點(diǎn)，但鈦合金材料卻有產(chǎn)生冷作硬化的傾向。此外，盡管鈦在常溫下具有化學(xué)惰性，但在切削高溫下卻很容易與其他材料產(chǎn)生化合作用。使鈦合金在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中具有抗疲勞破損能力的良好彈性在加工中卻成為一種障礙：實(shí)際上，當(dāng)?shù)毒咔邢魅星腥霑r(shí)，工件材料會(huì)退讓，然后又回彈。
鈦合金一個(gè)最重要的、與一般的金屬切削和特定的鉸削加工都有關(guān)系的特性是其極差的導(dǎo)熱性。據(jù)Niagara刀具公司介紹，在切削加工鋼時(shí)，75%的切削熱傳入切屑中，15%的切削熱傳入刀具切削刃中，10%的切削熱傳入工件材料中。而在切削鈦合金時(shí)，只有25%的切削熱被切屑帶走，15%的熱量被工件吸收，其余60%的切削熱則都傳入了刀具切削刃。
集中的熱量會(huì)大大縮短刀具壽命。鈦合金的高溫反應(yīng)性會(huì)導(dǎo)致在刀具與工件之間發(fā)生材料擴(kuò)散，從而加劇刀具的月牙洼磨損和刻劃磨損。由于鉸削加工屬于輕切削，因此必須對(duì)切深量仔細(xì)進(jìn)行權(quán)衡，如切深過(guò)大，會(huì)影響孔的尺寸精度和表面光潔度；如切深過(guò)小，則會(huì)造成刀具推擠而非切削工件材料，產(chǎn)生摩擦和更多熱量，并使加工表面發(fā)生冷作硬化。
前序加工的鉆頭或鏜刀直徑?jīng)Q定了鉸削加工的余量。刀具制造商Superion公司銷售副總裁B.J. Grizzle表示，“對(duì)于鈦合金鉸削，我們推薦的材料去除余量是孔徑尺寸的3%以下。通常，如果加工表面光潔度出現(xiàn)問(wèn)題，那么我們就要考慮采用更小的切深。但是，必須非常小心，避免采用過(guò)小的切深而造成推擠工件材料的現(xiàn)象。你肯定會(huì)找到一個(gè)合適的中間值?！?br /> John Prosock機(jī)械公司的工廠經(jīng)理Claude Farrington表示，在對(duì)鈦合金醫(yī)用接骨螺釘樣品進(jìn)行鉸削加工時(shí)，加工車間發(fā)現(xiàn)，獲得成功的要點(diǎn)是為鈦合金鉸削“留下盡可能小的加工余量”。該車間鉸削鋁或鋼時(shí)，加工余量通常為0.28mm。而在鉸削鈦合金時(shí)，加工余量?jī)H為0.013－0.025mm，并且采用了一種含有硫磺的重載加工用黑色切削油進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。
在工件的對(duì)中性至關(guān)重要的加工場(chǎng)合，前序鉆孔時(shí)為鉸削預(yù)留的加工余量往往較大。在加工像鈦合金這種材料時(shí)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)鉸刀而言，需要去除的加工余量可能太大。因此，可以采用鉆鉸刀或階梯鉸刀通過(guò)一次走刀完成擴(kuò)孔和精加工。
需要使用冷卻液
考慮到鈦合金導(dǎo)熱性差的特性，在切削時(shí)進(jìn)行有效冷卻至關(guān)重要。Amamco刀具公司的工廠經(jīng)理Peter Diamantis說(shuō)，“如果不使用某種冷卻液，加工鈦合金將非常困難?！?br /> 他指出，Amamco公司生產(chǎn)的鈦合金鉸刀的幾何形狀與加工其他金屬材料的鉸刀幾乎完全相同，“但是，我們?cè)阝伜辖疸q刀中加入了冷卻液孔，可以沿著切削圓周供給冷卻液。”據(jù)冷卻液生產(chǎn)商Cimcool公司介紹，加工鈦合金時(shí)，水基冷卻液效果非常不錯(cuò)，而可溶性切削油可以提供優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。鈦合金供應(yīng)商Timet公司表示，硫氯化潤(rùn)滑油看來(lái)是加工鈦合金的最佳切削液，而水基乳化液的使用效果也非常不錯(cuò)，尤其是在加工較軟的純鈦牌號(hào)時(shí)。
加工鈦合金時(shí)，切削速度是產(chǎn)生切削熱的主要因素。Tool Alliance公司副總裁兼銷售經(jīng)理John Forrest說(shuō)，“與加工許多冷作硬化現(xiàn)象嚴(yán)重的材料（如Inconel合金和一些奧氏體不銹鋼合金牌號(hào)）一樣，切削速度和切削熱會(huì)使加工變得更加困難。在加工這些材料時(shí)，你需要采用刀具供應(yīng)商推薦的切削速度范圍的下限值，以及進(jìn)給率范圍的上限值。較高的切削速度會(huì)產(chǎn)生更多切削熱，從而使切削更加困難，并造成冷作硬化。”
鈦合金供應(yīng)商Supra Alloys公司贊同這種評(píng)價(jià)。該公司認(rèn)為，切削速度對(duì)刀尖溫度的影響比任何其他單一變量都要大。在一個(gè)典型的加工案例中，當(dāng)硬質(zhì)合金刀具的表面切削速度從20sfm提高到150sfm時(shí)，刀尖溫度則從427℃升高到927℃。另一方面，該公司表示，進(jìn)給率對(duì)刀尖溫度的影響遠(yuǎn)不如切削速度的影響大。在同一加工案例中，當(dāng)進(jìn)給率從0.05mm/r提高到0.5mm/r時(shí)，刀尖溫度僅升高了150℃。
因此，如果加工車間希望提高鈦合金鉸削加工生產(chǎn)率，刀具制造商建議：采用推薦切削速度范圍的下限值，并盡量提高進(jìn)給率，直至出現(xiàn)表面光潔度變差、孔型變形和最終尺寸精度下降的情況，然后再降低進(jìn)給率，直至這些問(wèn)題消失為止。
關(guān)于切削速度和進(jìn)給率的推薦值，刀具制造商強(qiáng)調(diào)，各種不同的鈦合金其加工特性差別極大。純鈦的強(qiáng)度不如鈦合金，但其在較低溫度下耐化學(xué)腐蝕的能力使其在許多腐蝕性環(huán)境中特別有用。由于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，因此比鈦合金牌號(hào)更容易加工。
另一方面，添加合金元素（尤其是釩和鉻）后，可以提高鈦合金的強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度，并要求降低切削速度。例如，某加工車間通常假定，加工一件Ti-6Al-4V工件所需的時(shí)間是加工一件鋼件的3倍。而另一個(gè)加工車間表示，加工合金元素含量高的牌號(hào)（如Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）所需的時(shí)間通常是Ti-6Al-4V加工時(shí)間的2倍。
刀具材料與幾何形狀
確定刀具材料和幾何形狀時(shí)，必須考慮鈦的粘性和彈性。Tool Alliance公司的Forrest說(shuō)，“鈦合金加工要求刀具有鋒利的切削刃，對(duì)工件進(jìn)行剪切而不是推擠，因?yàn)榈毒叩耐茢D會(huì)造成工件表面冷作硬化。我們采用盡可能鋒利的切削刃來(lái)切削鈦合金，以更有效地實(shí)現(xiàn)剪切加工?！?br /> Alvord-Polk公司的刀具工程師Bill Lahr表示，一般來(lái)說(shuō)，加工鈦合金并不需要專門(mén)設(shè)計(jì)鉸刀幾何參數(shù)，“如果是高速鋼鉸刀，我們通常采用M-42鈷高速鋼牌號(hào)，因?yàn)樗哪蜔嵝院图t硬性較好?！睋?jù)鈦合金供應(yīng)商Timet公司介紹，在許多情況下，高速鋼鉸刀的使用效果令人滿意，而硬質(zhì)合金鉸刀則允許采用更高的表面切削速度，或具有更長(zhǎng)的刀具壽命。
至于鉸刀的幾何槽型，雖然直槽鉸刀也可用于鉸削鈦合金，但通常應(yīng)優(yōu)先選用螺旋槽鉸刀，因?yàn)槁菪\(yùn)動(dòng)可使刀具的切削運(yùn)動(dòng)具有更大自由度，并能引導(dǎo)切屑流動(dòng)。此外，如果是鉸削通孔，左手螺旋槽鉸刀可將切屑及其吸附的熱量向前推出孔外。其缺點(diǎn)是，左手螺旋槽鉸刀并不能在倒棱處形成真正的正切削角，因此也并非真正意義上的自由切削。在鉸削盲孔時(shí)，右手螺旋槽鉸刀可以提供自由度更大的切削條件，并將切屑向上提升，使其易于排出孔外。它還使切削刃具有更大的正切削角，從而可實(shí)現(xiàn)更自由的切削。此外，螺旋槽鉸刀的成角路徑有助于使鉸削交叉孔以及被鉸孔中其他中斷部位造成的負(fù)面影響降至最小。
刀具制造商Mapal公司的Hurd指出，鉸刀通常具有圓形刃帶或引導(dǎo)切削刃通過(guò)被加工孔的導(dǎo)向棱帶，但是，由于它們與孔壁發(fā)生摩擦，會(huì)產(chǎn)生額外的熱量。因此，鈦合金鉸刀的導(dǎo)向棱帶要比加工鋼或鑄鐵的鉸刀棱帶窄一些。
在采用可換刀片式鉸刀的情況下，由作用于刀片上的切削壓力引起的刀體轉(zhuǎn)矩會(huì)推動(dòng)位于正對(duì)孔內(nèi)徑的刀體上的導(dǎo)向刀墊，使刀片定位，對(duì)孔進(jìn)行鉸削加工。Hurd介紹說(shuō)，加工鈦合金時(shí)，對(duì)刀片與刀墊位置關(guān)系的處理方式與加工其他材料時(shí)有所不同。鉸削鋁合金時(shí)，金剛石刀片的安裝方式通常是從導(dǎo)向刀墊向前伸出約3－5μm，因?yàn)榧庸やX合金時(shí)，金剛石刀具的磨損量很小，在整個(gè)刀具使用壽命期間，刀墊/刀片相互位置關(guān)系的變化也極小。然而，在鉸削鈦合金時(shí)，刀片的磨損量很大，磨損速度也很快，最終會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)向刀墊失靈，因?yàn)榈镀瑫?huì)很快磨損至導(dǎo)向刀墊的高度。
為了解決這一問(wèn)題，Mapal公司在刀片上增加了一個(gè)稱為“F倒棱”的穩(wěn)定和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。Hurd表示，這條倒棱類似于第二切削角，并且可在很大程度上鈍化刀片鋒利的切削刃，使其在刀具壽命初期階段的磨損不至于太劇烈。這樣，鉸孔尺寸就不會(huì)在加工了頭幾個(gè)工件后突然變小，在磨損嚴(yán)重的加工條件下（如鉸削鈦合金），就能獲得更好的尺寸一致性。
鉸削鈦合金時(shí)，刀片安裝方式是從導(dǎo)向刀墊向前伸出大約8－10μm。Stack Strategies Amamco公司的Diamantis指出，許多航空零件制造商用一把刀具進(jìn)行鉆削和鉸削加工，以代替“先鉆后鉸“的兩道工序。比單純鉸削鈦合金難度更大的是鉸削由鈦合金和其他材料構(gòu)成的疊層復(fù)合材料?！坝捎阝伜辖鸨容^硬，當(dāng)把它與其他較軟的材料（如鋁合金或復(fù)合材料）疊壓在一起時(shí)，鈦合金的切屑很容易劃傷較軟材料的孔壁。加工時(shí)，必須根據(jù)鈦合金在疊層中的位置來(lái)確定鉸刀的槽型方向，以避免劃傷孔壁。”
Diamantis用“三明治”來(lái)形容一種夾心疊層材料，鈦合金就像中間的“餡料”，鋁合金就像外面的“面包”。在這種材料上鉸削通孔時(shí)，最好采用螺旋槽鉸刀向下切削（用左手螺旋槽鉸刀進(jìn)行右旋切削），并將切屑向下推。他說(shuō)，“如果采用常規(guī)的（右手螺旋槽）鉸刀，將會(huì)把切屑推向剛剛鉸削過(guò)的區(qū)域，從而劃傷較軟材料的孔壁。如果由于加工空間的局限，無(wú)法向下切削，事情就會(huì)變得有些復(fù)雜。那樣的話，就必須制造一種鉸刀，使其能將切屑封閉在容屑槽中，以防止其劃傷孔壁?！?br /> Superion Products公司的Grizzle提供了另一種保證孔的精加工質(zhì)量的方法。在航空零部件加工中，該公司提供的鏜鉸刀可以精確修正工件上的鉆孔位置。他說(shuō)，“一般來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)鉸刀只能沿著已有的孔進(jìn)行加工，而鏜鉸刀在鉸削時(shí)卻能對(duì)孔進(jìn)行修正?！痹诩庸も伜辖鸬炔牧蠒r(shí)，鏜鉸刀通常更多地作為粗加工刀具使用，使孔具有更好的直線度，然后再用精加工刀具將尺寸加工到位，并獲得要求的表面光潔度。
鉸削加工系統(tǒng)
為了獲得孔加工的最佳質(zhì)量和一致性，除了要考慮切削刀具和加工參數(shù)以外，還必須嚴(yán)格控制鉸削系統(tǒng)的其他要素。機(jī)床主軸與工件的對(duì)準(zhǔn)至關(guān)重要。刀具與工件的同心度誤差可能會(huì)在鉸削時(shí)引起顫振，在退刀時(shí)產(chǎn)生刀痕，以及造成圓錐孔、偏心或孔徑過(guò)大等缺陷。
由于鉸刀基本上是由被鉸削孔導(dǎo)向的，因此，鉆孔的直線度、同心度也是影響鉸孔質(zhì)量的重要因素。微型刀具切削刃制備服務(wù)提供商Conicity Technologies LLC公司執(zhí)行副總裁Bill Shaffer指出，“用鉆尖鈍化的鉆頭鉆孔時(shí)，它將擠壓工件材料而不是切削它，這樣就會(huì)造成孔壁冷作硬化，硬化層的深度可能只有幾微米。其結(jié)果是加快了鉸刀切削刃的磨損?！?br /> Shaffer表示，鉸刀最常見(jiàn)的失效模式并不像普遍認(rèn)為的那樣，“通常，一把鉸刀要用到它的切削尺寸偏小為止。然后，對(duì)其引導(dǎo)角進(jìn)行重磨后，重新投入使用，直至加工出來(lái)的孔測(cè)量尺寸再次偏小為止。很少有人能解釋清楚，當(dāng)鉸刀的外徑尺寸仍然符合要求時(shí)，為何能切削出尺寸偏小的孔徑，以及為何通過(guò)簡(jiǎn)單地重磨鉸刀前部，就能使它再次加工出符合要求的孔徑尺寸?！?br /> Shaffer認(rèn)為，孔徑尺寸失準(zhǔn)與鉸刀導(dǎo)向刃上的切削刃磨損直接相關(guān)。鉸刀切削時(shí)，切削刃的逐漸鈍化使刀具承受的切削壓力和切削熱逐漸增加。隨著切削刃繼續(xù)變鈍，會(huì)產(chǎn)生更多的切削熱，這些熱量會(huì)使工件材料膨脹，而此時(shí)鉸刀仍在孔中。而當(dāng)鉸刀退出后，工件冷卻收縮，并導(dǎo)致孔徑尺寸變小。
使鉸刀保持鋒利可以消除這一問(wèn)題。但是，全新的、完全鋒利的切削刃卻缺乏強(qiáng)度，因?yàn)榍邢魅猩嫌性S多微崩刃和各種微觀缺陷，它們會(huì)使切削力集中，并加快刀具磨損。從而使鉸刀迅速變鈍，產(chǎn)生摩擦和熱量，并使鉸出的孔徑尺寸偏小。
為了去除微小切削刃上的缺陷，并使切削刃具有較好的一致性，Conicity Technologies公司開(kāi)發(fā)了多種切削刃制備系統(tǒng)，它能按照精確控制的尺寸、形狀和分布狀態(tài)研磨切削刃。據(jù)稱，該系統(tǒng)采用一臺(tái)CNC數(shù)控機(jī)床，能在刀具關(guān)鍵部位的切削刃上制備出預(yù)先設(shè)計(jì)好的微觀幾何形貌。Shaffer聲稱，對(duì)于各種刀具的切削刃，該機(jī)床都能以極好的一致性控制其制備尺寸。
Shaffer說(shuō)，在鉸刀切削刃的導(dǎo)向刃上制備一個(gè)尺寸為10μm的設(shè)計(jì)微觀幾何形貌（EMG），可以使切削刃的強(qiáng)度提高大約5－8倍。切削刃強(qiáng)度的提高，能有效延緩鉸刀前側(cè)面上切削刃的磨損，并能延長(zhǎng)切削刃保持完整性的時(shí)間，還能延緩切削熱的聚集和孔徑尺寸偏小現(xiàn)象的出現(xiàn)。其結(jié)果是，在鉸刀必須重磨之前可以鉸削更多的孔。Shaffer說(shuō)，“每次重磨后都以同樣的方式制備切削刃，保持2.5μm的制備尺寸，鉸刀的壽命將具有很好的一致性和重復(fù)性，而且刀具壽命至少可以延長(zhǎng)3倍，最多可以延長(zhǎng)20倍?！?br /> 對(duì)于許多生產(chǎn)車間來(lái)說(shuō)，加工鈦合金是一種挑戰(zhàn)。而進(jìn)行鉸削這種精加工進(jìn)一步增加了難度。然而，有關(guān)鈦合金的獨(dú)特性能及其對(duì)切削刀具影響的知識(shí)，對(duì)于了解在加工這種奇妙的輕金屬時(shí)應(yīng)避免做哪些事情具有很大的幫助。然后，當(dāng)我們清楚了“不能做的事情”后，就可以將“能做的事情”應(yīng)用于鈦合金鉸削，以提高其生產(chǎn)率。
刀具信息網(wǎng) 責(zé)任編輯：小山 |
