鉸削鈦合金的加工介紹

鉸削鈦合金的加工介紹2011-10-9 來源： 中國機床商務網 　　鉸削鈦合金是一項極具挑戰性的加工任務，但新型刀具可以為生產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，孔加工並不只是鑽一個孔那樣簡單。刀具製造商Mapal公司北美銷售經理BrianHurd總結了孔加工的基本步驟：「首先通過鑽孔去除材料；然後通過鏜孔確定孔的位置；最後通過鉸孔確定孔的尺寸。」　　　　通常，鉸孔是實現孔的功能性的關鍵步驟。作為孔加工的最終工序，鉸削只去除少量工件材料，它的主要目的在於獲得光滑而一致的內孔表面光潔度。　　　　在確定生產性鉸削加工最佳刀具和切削參數的關鍵要素中，最重要的是工件材料的特性。由於鈦合金具有諸多獨一無二的特性，因此其鉸削加工要比普通材料孔的精加工複雜得多。　　　　更輕、更強韌的鈦合金　　　　鈦合金的標誌性特性之一就是其優異的強度/重量比。鈦的密度僅為鋼的大約60%，但其拉伸強度卻高於大部分鋼合金。由於鈦的彈性比典型的鋼大約高一倍，因此將其應用於結構件時，能夠提供優異的耐久性和抗疲勞性。鈦合金表面自然形成的、穩定而連續的氧化層可起到耐腐蝕的保護層作用，並使材料具有化學惰性和生物適應性。鈦的熔點比鋼高大約200℃，比鋁高大約1,100℃。　　　　隨著鈦合金的應用範圍日益廣泛，對其進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。儘管其初始切削力只比切削同等硬度的鋼時稍高一點，但鈦合金材料卻有產生冷作硬化的傾向。此外，儘管鈦在常溫下具有化學惰性，但在切削高溫下卻很容易與其他材料產生化合作用。使鈦合金在結構應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：實際上，當刀具切削刃切入時，工件材料會退讓，然後又回彈。　　　　鈦合金一個最重要的、與一般的金屬切削和特定的鉸削加工都有關係的特性是其極差的導熱性。據Niagara刀具公司介紹，在切削加工鋼時，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，只有25%的切削熱被切屑帶走，15%的熱量被工件吸收，其餘60%的切削熱則都傳入了刀具切削刃。　　　　集中的熱量會大大縮短刀具壽命。鈦合金的高溫反應性會導致在刀具與工件之間發生材料擴散，從而加劇刀具的月牙窪磨損和刻劃磨損。由於鉸削加工屬於輕切削，因此必須對切深量仔細進行權衡，如切深過大，會影響孔的尺寸精度和表面光潔度；如切深過小，則會造成刀具推擠而非切削工件材料，產生摩擦和更多熱量，並使加工表面發生冷作硬化。　　　　前序加工的鑽頭或鏜刀直徑決定了鉸削加工的餘量。刀具製造商Superion公司銷售副總裁B.J.Grizzle表示，「對於鈦合金鉸削，我們推薦的材料去除餘量是孔徑尺寸的3%以下。通常，如果加工表面光潔度出現問題，那麼我們就要考慮採用更小的切深。但是，必須非常小心，避免採用過小的切深而造成推擠工件材料的現象。你肯定會找到一個合適的中間值。」　　　　JohnProsock機械公司的工廠經理ClaudeFarrington表示，在對鈦合金醫用接骨螺釘樣品進行鉸削加工時，加工車間發現，獲得成功的要點是為鈦合金鉸削「留下儘可能小的加工餘量」。該車間鉸削鋁或鋼時，加工餘量通常為0.28mm。而在鉸削鈦合金時，加工餘量僅為0.013－0.025mm，並且採用了一種含有硫磺的重載加工用黑色切削油進行潤滑和冷卻。　　　　在工件的對中性至關重要的加工場合，前序鑽孔時為鉸削預留的加工餘量往往較大。在加工像鈦合金這種材料時，對於標準鉸刀而言，需要去除的加工餘量可能太大。因此，可以採用鑽鉸刀或階梯鉸刀通過一次走刀完成擴孔和精加工。　　　　需要使用冷卻液　　　　考慮到鈦合金導熱性差的特性，在切削時進行有效冷卻至關重要。Amamco刀具公司的工廠經理PeterDiamantis說，「如果不使用某種冷卻液，加工鈦合金將非常困難。」　　　　他指出，Amamco公司生產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，我們在鈦合金鉸刀中加入了冷卻液孔，可以沿著切削圓周供給冷卻液。」據冷卻液生產商Cimcool公司介紹，加工鈦合金時，水基冷卻液效果非常不錯，而可溶性切削油可以提供優異的潤滑性能。鈦合金供應商Timet公司表示，硫氯化潤滑油看來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，尤其是在加工較軟的純鈦牌號時。　　　　加工鈦合金時，切削速度是產生切削熱的主要因素。ToolAlliance公司副總裁兼銷售經理JohnForrest說，「與加工許多冷作硬化現象嚴重的材料(如Inconel合金和一些奧氏體不鏽鋼合金牌號)一樣，切削速度和切削熱會使加工變得更加困難。在加工這些材料時，你需要採用刀具供應商推薦的切削速度範圍的下限值，以及進給率範圍的上限值。較高的切削速度會產生更多切削熱，從而使切削更加困難，並造成冷作硬化。」　　　　鈦合金供應商SupraAlloys公司贊同這種評價。該公司認為，切削速度對刀尖溫度的影響比任何其他單一變數都要大。在一個典型的加工案例中，當硬質合金刀具的表面切削速度從20sfm提高到150sfm時，刀尖溫度則從427℃升高到927℃。另一方面，該公司表示，進給率對刀尖溫度的影響遠不如切削速度的影響大。在同一加工案例中，當進給率從0.05mm/r提高到0.5mm/r時，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率，刀具製造商建議：採用推薦切削速度範圍的下限值，並盡量提高進給率，直至出現表面光潔度變差、孔型變形和最終尺寸精度下降的情況，然後再降低進給率，直至這些問題消失為止。　　　　關於切削速度和進給率的推薦值，刀具製造商強調，各種不同的鈦合金其加工特性差別極大。純鈦的強度不如鈦合金，但其在較低溫度下耐化學腐蝕的能力使其在許多腐蝕性環境中特別有用。由於其結構強度較低，因此比鈦合金牌號更容易加工。　　　　另一方面，添加合金元素(尤其是釩和鉻)後，可以提高鈦合金的強度和抗疲勞強度，並要求降低切削速度。例如，某加工車間通常假定，加工一件Ti-6Al-4V工件所需的時間是加工一件鋼件的3倍。而另一個加工車間表示，加工合金元素含量高的牌號(如Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr)所需的時間通常是Ti-6Al-4V加工時間的2倍。　　　　刀具材料與幾何形狀　　　　確定刀具材料和幾何形狀時，必須考慮鈦的粘性和彈性。ToolAlliance公司的Forrest說，「鈦合金加工要求刀具有鋒利的切削刃，對工件進行剪切而不是推擠，因為刀具的推擠會造成工件表面冷作硬化。我們採用儘可能鋒利的切削刃來切削鈦合金，以更有效地實現剪切加工。」　　　　Alvord-Polk公司的刀具工程師BillLahr表示，一般來說，加工鈦合金並不需要專門設計鉸刀幾何參數，「如果是高速鋼鉸刀，我們通常採用M-42鈷高速鋼牌號，因為它的耐熱性和紅硬性較好。」據鈦合金供應商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，而硬質合金鉸刀則允許採用更高的表面切削速度，或具有更長的刀具壽命。　　　　至於鉸刀的幾何槽型，雖然直槽鉸刀也可用於鉸削鈦合金，但通常應優先選用螺旋槽鉸刀，因為螺旋運動可使刀具的切削運動具有更大自由度，並能引導切屑流動。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。其缺點是，左手螺旋槽鉸刀並不能在倒棱處形成真正的正切削角，因此也並非真正意義上的自由切削。在鉸削盲孔時，右手螺旋槽鉸刀可以提供自由度更大的切削條件，並將切屑向上提升，使其易於排出孔外。它還使切削刃具有更大的正切削角，從而可實現更自由的切削。此外，螺旋槽鉸刀的成角路徑有助於使鉸削交叉孔以及被鉸孔中其他中斷部位造成的負面影響降至最小。　　　　刀具製造商Mapal公司的Hurd指出，鉸刀通常具有圓形刃帶或引導切削刃通過被加工孔的導向棱帶，但是，由於它們與孔壁發生摩擦，會產生額外的熱量。因此，鈦合金鉸刀的導向棱帶要比加工鋼或鑄鐵的鉸刀棱帶窄一些。　　　　在採用可換刀片式鉸刀的情況下，由作用於刀片上的切削壓力引起的刀體轉矩會推動位於正對孔內徑的刀體上的導向刀墊，使刀片定位，對孔進行鉸削加工。Hurd介紹說，加工鈦合金時，對刀片與刀墊位置關係的處理方式與加工其他材料時有所不同。鉸削鋁合金時，金剛石刀片的安裝方式通常是從導向刀墊向前伸出約3－5μm，因為加工鋁合金時，金剛石刀具的磨損量很小，在整個刀具使用壽命期間，刀墊/刀片相互位置關係的變化也極小。然而，在鉸削鈦合金時，刀片的磨損量很大，磨損速度也很快，最終會導致導向刀墊失靈，因為刀片會很快磨損至導向刀墊的高度。　　　　為了解決這一問題，Mapal公司在刀片上增加了一個稱為「F倒棱」的穩定和導向結構。Hurd表示，這條倒棱類似於第二切削角，並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於太劇烈。這樣，鉸孔尺寸就不會在加工了頭幾個工件後突然變小，在磨損嚴重的加工條件下(如鉸削鈦合金)，就能獲得更好的尺寸一致性。　　　　鉸削鈦合金時，刀片安裝方式是從導向刀墊向前伸出大約8－10μm。StackStrategiesAmamco公司的Diamantis指出，許多航空零件製造商用一把刀具進行鑽削和鉸削加工，以代替「先鑽後鉸「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成的疊層複合材料。「由於鈦合金比較硬，當把它與其他較軟的材料(如鋁合金或複合材料)疊壓在一起時，鈦合金的切屑很容易劃傷較軟材料的孔壁。加工時，必須根據鈦合金在疊層中的位置來確定鉸刀的槽型方向，以避免劃傷孔壁。」　　　　Diamantis用「三明治」來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「麵包」。在這種材料上鉸削通孔時，最好採用螺旋槽鉸刀向下切削(用左手螺旋槽鉸刀進行右旋切削)，並將切屑向下推。他說，「如果採用常規的(右手螺旋槽)鉸刀，將會把切屑推向剛剛鉸削過的區域，從而劃傷較軟材料的孔壁。如果由於加工空間的局限，無法向下切削，事情就會變得有些複雜。那樣的話，就必須製造一種鉸刀，使其能將切屑封閉在容屑槽中，以防止其劃傷孔壁。」　　　　SuperionProducts公司的Grizzle提供了另一種保證孔的精加工質量的方法。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鑽孔位置。他說，「一般來說，標準鉸刀只能沿著已有的孔進行加工，而鏜鉸刀在鉸削時卻能對孔進行修正。」在加工鈦合金等材料時，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，然後再用精加工刀具將尺寸加工到位，並獲得要求的表面光潔度。　　　　鉸削加工系統　　　　為了獲得孔加工的最佳質量和一致性，除了要考慮切削刀具和加工參數以外，還必須嚴格控制鉸削系統的其他要素。機床主軸與工件的對準至關重要。刀具與工件的同心度誤差可能會在鉸削時引起顫振，在退刀時產生刀痕，以及造成圓錐孔、偏心或孔徑過大等缺陷。　　　　由於鉸刀基本上是由被鉸削孔導向的，因此，鑽孔的直線度、同心度也是影響鉸孔質量的重要因素。微型刀具切削刃製備服務提供商ConicityTechnologiesLLC公司執行副總裁BillShaffer指出，「用鑽尖鈍化的鑽頭鑽孔時，它將擠壓工件材料而不是切削它，這樣就會造成孔壁冷作硬化，硬化層的深度可能只有幾微米。其結果是加快了鉸刀切削刃的磨損。」　　　　Shaffer表示，鉸刀最常見的失效模式並不像普遍認為的那樣，「通常，一把鉸刀要用到它的切削尺寸偏小為止。然後，對其引導角進行重磨後，重新投入使用，直至加工出來的孔測量尺寸再次偏小為止。很少有人能解釋清楚，當鉸刀的外徑尺寸仍然符合要求時，為何能切削出尺寸偏小的孔徑，以及為何通過簡單地重磨鉸刀前部，就能使它再次加工出符合要求的孔徑尺寸。」　　　　Shaffer認為，孔徑尺寸失准與鉸刀導向刃上的切削刃磨損直接相關。鉸刀切削時，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。隨著切削刃繼續變鈍，會產生更多的切削熱，這些熱量會使工件材料膨脹，而此時鉸刀仍在孔中。而當鉸刀退出後，工件冷卻收縮，並導致孔徑尺寸變小。　　　　使鉸刀保持鋒利可以消除這一問題。但是，全新的、完全鋒利的切削刃卻缺乏強度，因為切削刃上有許多微崩刃和各種微觀缺陷，它們會使切削力集中，並加快刀具磨損。從而使鉸刀迅速變鈍，產生摩擦和熱量，並使鉸出的孔徑尺寸偏小。　　　　為了去除微小切削刃上的缺陷，並使切削刃具有較好的一致性，ConicityTechnologies公司開發了多種切削刃製備系統，它能按照精確控制的尺寸、形狀和分布狀態研磨切削刃。據稱，該系統採用一台CNC數控機床，能在刀具關鍵部位的切削刃上製備出預先設計好的微觀幾何形貌。Shaffer聲稱，對於各種刀具的切削刃，該機床都能以極好的一致性控制其製備尺寸。　　　　Shaffer說，在鉸刀切削刃的導向刃上製備一個尺寸為10μm的設計微觀幾何形貌(EMG)，可以使切削刃的強度提高大約5－8倍。切削刃強度的提高，能有效延緩鉸刀前側面上切削刃的磨損，並能延長切削刃保持完整性的時間，還能延緩切削熱的聚集和孔徑尺寸偏小現象的出現。其結果是，在鉸刀必須重磨之前可以鉸削更多的孔。Shaffer說，「每次重磨後都以同樣的方式製備切削刃，保持2.5μm的製備尺寸，鉸刀的壽命將具有很好的一致性和重複性，而且刀具壽命至少可以延長3倍，最多可以延長20倍。」　　　　對於許多生產車間來說，加工鈦合金是一種挑戰。而進行鉸削這種精加工進一步增加了難度。然而，有關鈦合金的獨特性能及其對切削刀具影響的知識，對於了解在加工這種奇妙的輕金屬時應避免做哪些事情具有很大的幫助。然後，當我們清楚了「不能做的事情」後，就可以將「能做的事情」應用於鈦合金鉸削，以提高其生產率。