1、 序言

钛合金因其特殊属性成为在航空航天领域利用宽泛的零件资料，但硬度高、切削机能差，故属于难加工资料，加工中易产生零件表表硬化，给机械加工带来了很大挑战
。

通常用于加工钛合金的刀具资料对硬度和耐磨性要求较高，且必要具备极好的耐热性
。在高温下仍能维持较高强度、韧性、肯定的抗冲击性和抗粉碎性，满足以上要求的刀拥有：陶瓷刀具、涂层硬质合金刀具、立方氮化硼（CBN）刀具和金刚石（PCD）刀具等
。其中涂层硬质合金刀具价值低，且拥有较好的导热性和较高的硬度，固然其耐热性和化学不变性较陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和类金刚石刀具差一些，但较强的抗冲击性和抗粉碎性使其成为加工钛合金的首选刀具
。选用刀具的几何角度时，要求拥有较幼前角、刃倾角负倒棱、主偏角和负偏角同时占有较大后角
。

2、 钛合金资料切削参数优化与利用

图1所示零件资料为TC11钛合金，悬臂与接头为一体结构，零件部位划分如图2所示，加工过程实体如图3所示
。

加工难点如下所述：

毛坯为沉型自由锻件，表表有较硬的硬化层，状态不规定，加工实现后资料去除率超过80%，加工余量大、难度高
。

中央槽腔较深，约400mm，且槽腔尺寸精度高，加工中切削参数不合理，无法保障尺寸精度
。

悬臂部门悬伸>600mm，加工中切削参数不合理，易产生振动，影响零件表表质量
。

由因而初次加工TC11钛合金资料，加工此类资料的刀具种类和数量有限，同时思考新进刀具会增长加工成本，导致加工过程中不易设置精加工切削参数，粗加工初始阶段的刀具寿命与加工效能较低
。

TC11钛合金属于难加工资料，通过对钛合金资料加工机能的钻研，结合零件的结构特点以及较大的去除率，从刀具选用、加工战术选择及加工参数摸索3个方面进行切削优化[4]
。

3、刀具选用

结合钛合金机械加工个性，优先使用涂层硬质合金可转化立铣刀加工钛合金资料，去除大部门机械加工余量
。由于零件表表有较硬的硬化层，严沉影响刀具寿命，因而选择相宜的涂层刀具尤为沉要，对刀具成本的影响也最大[5]
。

在刀具机能的提升战术中，涂层技术无疑占据着至关沉要的职位，刀具涂层犹如为刀具披上了一层牢固而精密的」甲”，显著加强了在切削过程中的耐磨、耐热和抗侵蚀能力
。

目前，先进的涂层工艺层出不穷，常见的涂层资料蕴含类金刚石（DLC）涂层、氮化钛（TiN）涂层和碳化钛（TiC）涂层等
。DLC涂层拥有极低的摩擦系数和杰出的耐磨性，可能有效削减刀具与工件之间的摩擦，降低切削力，削减热量产生，从而耽搁刀具的使用寿命
。TiN涂层以其优良的硬度和化学不变性，为刀具提供了靠得住防护，使其在高速切削中依然能维持优异的机能[6]
。TiC涂层固然硬度略低于DLC涂层，但高温不变性优于TiN涂层，对高温不变性要求高以及必要预防切削液传染（如医疗零件加工）的干式切削场景来说，该涂层的利用至关沉要
。

涂层的造备步骤也多种多样，如物理气相沉积（PVD）技术和化学气相沉积（CVD）法
。PVD技术可能在低温下实现涂层的沉积，有效预防刀具基体高温变形的同时能够精确节造涂层的厚度和成分；CVD法令合用于造备较厚的涂层，拥有较高的沉积率和优良的结合强度
。

通过相识分歧涂层技术，结合刀具成本分析，最终选取物理气相沉积（PVD）技术造备的氮化钛铝（TiAlN）涂层刀具进行零件的粗、精加工
。

现有能用于钛合金加工的四边形刀片，经尝试发现寿命均较短
。通过查阅大量的有关刀具资料，联系有关刀具企业，在粗加工过程当选定了较为适合钛合金加工的圆形刀片（表径12mm）进行尝试，粗加工实体如图4所示，圆形刀片相较之前所选刀片，同样的背吃刀量，切削刃与工件的接触面积更大，相对散热性更好，且此状态刀片每旋转120°使用1次，1个刀片可旋转3次，即可使用3次，刀具寿命相对提高
。

精加工实体如图5所示，图中着色区域代表工序加工内容
。精加工过程中，选用高铣类合金钻头，此类钻头与钛合金亲和力幼，导热机能优良，强度较高
。较孔时辰两部门进行，粗铰选用通常铰刀（留余量0.1mm），精铰选用合金铰刀
。铣表形选用Φ12mm整体硬质合金立铣刀分层加工，该铣刀相比通常立铣刀，具备导热性好、硬度高、不易变形且切削机能不变蹬着点，适合加工钛合金资料
。

4、加工战术选择

无论是粗加工还是精加工，在加工悬臂部门（见图4a和图5b红色区域）时，由于刀具悬伸长，刚性降落，故刀具与零件之间极易产生振动，严沉时甚至会导致刀具崩刃或败坏，影响零件表表质量，若合理选择加工刀路，就能够预防振动
。粗加工阶段采取大直径刀具分层加工，依照肯定深度分多个档次、逐层进行铣削，可能有效降低单次铣削的切削力，削减刀具负载，从而耽搁刀具寿命
。对精加工而言，由于悬臂存在多个倾斜平面（见图5b、图5c深蓝色区域），故需选取五轴定平面加工，刀具轴垂直于加工平面，使切削力散布越发均匀，刀具与工件间的接触越发滑润，削减切削热产生和预防刀具部门过度磨损的同时，降低刀具的热委顿危险
。五轴加工还能使用更短的刀具，增长刀具的刚性，进一步削减刀具的振动和变形，有助于耽搁刀具的使用寿命
。

中央部位贯通封关槽腔（见图4c），容易出现刀具因挤屑而败坏的情况，需采取卧式加工步骤，切屑在沉力作用下能更顺畅地排出，削减切屑堆积对加工的影响，使排屑更为高效，同时也降低了刀具与切屑之间的摩擦和热量，有助于耽搁刀具寿命
。由于槽的深度达到350mm，因而需先选择悬伸短、再选择悬伸长的刀具进行加工，同时要预防悬伸长的刀具产生振动
。粗加工重要思考加工刀路对表表质量的影响，同样选取分层铣削的方式提高加工表表质量
。由于切削力削减，加工过程中的振动和变形也相应削减，因而加工表表会越发光滑
。

5、加工参数设置

5.1 粗加工切削参数

试切初期由刀具前提供初始切削参数，刀具寿命不是很梦想，技术人员和操作人员通过有关数据分析和搜索，得到加工零件用的合理切削参数，设备选用VMC1700立式加工中心（见图6）
。

选用山特维克可乐满刀具，别离为Φ50mm可转位立铣刀片，型号：490R-08T308M-MM/S30T；Φ52mm可转位立铣刀片，型号：R300-1240E-PMS30T；Φ80mm可转位立铣刀片，型号：R300-1240E-PMS30T
。

粗加工过程中，由于零件大部门为毛坯表表，导致刀具磨损进一步加强，现场测试时刀具切削参数见表1
。初始加工时，刀具加工出来的切屑为卷状，表表光滑，仅2h后，切屑变为长条状，表表褶皱似挤压状，加工磨损呈此刻一瞬间，前一分钟还正常加工，后一分钟刀具已经不能再使用，必要更换刀片
。为节约成本，提高效能，将转速、进给速度和背吃刀量进行测试调节，出产效能得到了肯定提高，加工寿命由原来的最长2h（同时思考不成意料的刀具磨损），变为较不变的3h，加工后换刀的按时损耗比出产不至于滞碍
。持续调整参数，最终测试出较美满的参数，优化后的刀具切削参数见表2，更换刀片的功夫能够耽搁至6~7h，大大降低了刀具成本
。

表1 现场测试时刀具切削参数

表2 优化后的刀具切削参数

5.2 精加工切削参数

相比粗加工阶段，精加工阶段由于加工余量削减，一样直径的刀具，其转速、进给速度和背吃刀量均有所提高，但不能与粗加工一样维持恒定数值，存在肯定变动幅度，在加工时需不休调整
。精加工阶段还需思考钻孔、铰孔时刀具的选用，由于切削参数不合理，因而相比铰刀更容易产生硬化景象，导致加工孔径变形，造成零件报废
。精加工的槽腔宽度尺寸精度高，还需思考切削参数尺寸精度的影响
。

DMU100P五轴加工中心如图7所示
。以φ50mm可转位立铣刀为例，选用瓦尔特刀具，型号WALTER 116166，刀片类型：ADMT120430R-F56 WSM35，加工表形、型腔等
。φ50mm飞刀部门切削参数见表3，精加工部门刀具切削参数见表4
。

在加工过程中，克服加工经验少以及现有刀具的不及，通过对粗、精加工刀具参数（转速、进给速度和背吃刀量）的不休尝试和优化，确定出合理的切削参数
。

表3 φ50mm飞刀部门切削参数

表4 精加工部门刀具切削参数

6、实现语

通过介绍钛合金资料机械加工机能，结合关键零件在机械加工过程中的难点问题，不休尝试和优化切削参数，有效提高了数控加工效能，提高了刀具寿命并削减了刀具成本
。为公司今后加工此类钛合金资料零件堆集了贵重的机械加工经验，也使公司先进造作技术水平有所提高
。

参考文件：

[1] 陈日曜. 金属切削道理[M]. 2版. 北京：机械工业出版社, 2013.

[2] 刘鸿文. 资料力学[M]. 6版. 北京：高档教育出版社, 2017.

[3] 黄旭, 朱知寿, 王红红. 先进航空钛合金资料与利用[M]. 北京：国防工业出版社, 2012.

[4] 赵永庆. 中国有色金属丛书：钛和钛合金相图谱[M]. 长沙：中南大学出版社, 2011.

[5] 陈宏钧. 实用机械加工工艺手册[M]. 3版. 北京：机械工业出版社, 2009.

[6] 尹成滢. 机械加工工艺手册[M]. 北京：化学工业出版社, 2023.

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