钛合金加工之决窍

圆刀片铣刀适用于铣削钛金属，因为它们的主偏角可适当变化。

只要为这些铣刀配备专用刀片并应用正确的切削参数，一般情况下就能提高稳定性和总体性能。

每齿进给量应设定最小值，这一点至关重要。

---钛合金铣削需要合适条件
与其他大多数金属材料加工相比，钛加工不仅要求更高，而且限制更多。

这是因为钛合金所具有的冶金特性和材料属性可能会对切削作用和材料本身产生严重影响。

但是，如果选择适当的刀具并正确加以使用，并且按照钛加工要求将机床和配置优化到最佳状态，那么就完全可以满足这些要求，并获得令人满意的高性能和完美结果。

传统钛金属加工过程中碰到的许多问题并非不可避免，只要克服钛属性对加工过程的影响，就能取得成功。

钛的各种属性使之成为具有强大吸引力的零件材料，但其中许多属性同时也影响着它的可加工性。

钛具备优良的强度-重量比，其密度通常仅为钢的60％。

钛的弹性系数比钢低，因此质地更坚硬，挠曲度更好。

钛的耐侵蚀性也优于不锈钢，而且导热性低。

这些属性意味着钛金属在加工过程中会产生较高和较集中的切削力。

它容易产生振动而导致切削时出现震颤；并且，它在切削时还容易与切削刀具材料发生反应，从而加剧月牙洼磨损。

此外，它的导热性差，由于热主要集中在切削区，因此加工钛金属的刀具必须具备高热硬度。

稳定性是成功的关键所在
某些机加工车间发现钛金属难以有效加工，但这种观点并不代表现代加工方法和刀具的发展趋势。

之所以困难，部分是因为钛金属加工是新兴工艺，缺少可借鉴的经验。

此外，困难通常与期望值及操作者的经验相关，特别是有些人已经习惯了铸铁或低合金钢等材料的加工方式，这些材料的加工要求一般很低。

相比之下，加工钛金属似乎更困难些，因为加工时不能采用同样的刀具和相同的速率，并且刀具的寿命也不同。

即便与某些不锈钢相比，钛金属加工的难度也仍然要高。

我们固然可以说，加工钛金属必须采取不同的切削速度和进给量以及一定的预防措施。

其实与大多数材料相比，钛金属也是一种完全可直接加工的材料。

只要钛工件稳定，装夹牢固，机床的选择正确，动力合适，工况良好，并且配备具有较短刀具悬伸的ISO 50主轴，则所有问题都会迎刃而解——只要切削刀具正确的话。

但在实际铣削加工中，钛金属加工所需的条件不容易全部满足，因为理想的稳定条件并不总是具备。

此外，许多钛零件的形状复杂，可能包含许多细密或深长的型腔、薄壁、斜面和薄托座。

要想成功加工这样的零件，就需要使用大悬伸、小直径刀具，这都会影响刀具稳定性。

在加工钛金属时，往往更容易出现潜在的稳定性问题。

必须考虑振动和热
非理想环境还包含其它因素，其中之一就是，大多数机床目前装配的是IS0 40主轴。

如果高强度地使用机床，就无法长时间保持新刀状态。

此外，如果零件结构较复杂的话，通常就不易有效夹紧。

当然挑战还不止于此，切削工序有时必须用于全槽铣、侧削或轮廓铣削，所有这些都有可能(但并非必定)产生振动及形成较差的切削条件。

重要的是，在设定机床时，必须始终注意提高稳定性以避免振动趋势。

振动会造成刀刃崩碎、刀片损坏并产生不可预见和不一致的结果。

一种改进措施便是采用多级夹紧，使零件更靠近主轴以有助于抵消振动。

由于钛金属在高温下仍能保持其硬度和强度，因而切削刃会遭遇高作用力和应力，再加上切削区中产生的高热，就意味着很可能出现加工硬化，这会导致某些问题产生，特别是不利于后续切削工序。

因此，
选择最佳的可转位刀片牌号和槽形是加工能否取得成功的关键。

过去的历史证明，细晶粒非涂层刀片牌号非常适用于钛金属加工；如今，具有PVD钛涂层的刀片牌号更可大大改进性能。

精度、条件和正确的切削参数
刀具轴向和径向上的跳动精度也很重要。

例如，如果未将刀片正确地安装到铣刀中，则铣刀周围的切削刃会迅速损坏。

在切削钛金属时，其它一些因素，例如刀具制造公差不良、磨损和刀具受损、刀柄有缺陷或质量差、机床主轴磨损等等，都会在很大程度上影响到刀具寿命。

观察结果表明，在所有加工表现不佳的案例中，80％都是由这些因素所造成。

尽管大多数人喜欢选用正前角槽形刀具，但事实上稍带负前角槽形的刀具能以更高的进给去除材料，并且每齿进给量可达0.5mm。

但是这同时也意味着必须保持最佳稳定状态，即机床应非常坚固，且装夹应极其稳定。

除进行插铣(最好使用圆刀片)之外，应尽量避免使用90主偏角，这样做通常有助于提高稳定性和获得总体性能，当在浅切深下使用时尤应如此，在进行深腔铣时，一种值得推荐的做法是通过刀具接柄而使用长度可变的刀具，而不是在整个工序中使用单一长度的长刀具。

调整切削参数以克服因降低每齿进给量而引起的振动是传统的解决方法，但这种方法并不恰当，因为它会对刀具寿命和切削性能产生灾难性影响。

可转位刀片需要一定量的切削刃倒圆，以增加切削刃强度和获得更好的涂层粘附力。

在铣削钛金属时，要求刀具至少以最小的进给量工作——通常为每齿0.1mm。

如果扔有振动趋势，则刀片损坏或刀具寿命缩短问题将不可避免。

可能的解决方法包括精确计算每齿进给量，并确保它至少为0. 1mm。

另外也可降低主轴转速，以达到最初的进给率。

如果使用最小的每齿进给量，而主轴转速却不正确，则对刀具寿命的影响可高达95%。

降低主轴转速通常可提高刀具寿命。

一旦确立了稳定工况，就可相应地提高主轴转速和进给量来获得最佳性能。

另一种做法是从铣刀中取出一些刀片或选择含刀片较少的铣刀。

刀具热处理工艺操作技巧
2009-06-25 10:40
热处理工艺过程多数是周期作业，是一项集体操作。

因此，热处理工艺加工存在着工作界限不明确，如一批零件淬火可能由两个班次完成，淬火和回火常常由两个班次完成等，加之作业人员素质参差不齐，管理措施小够完善，生产过程中经常会出现质量问题。

而出现问题后，分析问题，查找原因，不仅费时、费力，有时甚至找不出真正的原因。

下面笔者把多年来在生产现场中解决问题的一些思路和方法进行了归纳，为读者提供一些有益的参考。

1.渗碳淬火齿轮硬度低
一批在(日本)Unicase滴注式气体渗碳氮化炉中渗碳淬火的800多件齿轮，要求渗碳淬火后表面硬度58～63HRC，而抽检时零件的表面硬度为52～56HRC。

这是渗碳问题，还是淬火问题；淬火是加热问题，还是冷却问题，一时很难下结论。

由于这批齿轮的生产任务紧急，笔者把已检测的齿轮取3件用铁丝捆绑，在盐浴炉内重新加热，在油槽中淬火冷却，约30～40min后，最后检测淬火硬度为63～65HRC。

把这批齿轮重新加热淬火后，抽俭硬度全部合格。

这种快刀斩乱麻的办法，虽不一定能找出问题的真正原因，但却解决了生产的燃眉之急。

2.棒料淬火裂纹
有一批φ14mm×240mm的40Cr俸料经调质处埋后，过了约一周时间(使用时)才被发现几乎全部开裂，裂纹形状为纵向单裂纹，多数裂纹裂透棒料的两端面。

据此判断裂纹为淬火裂纹，而当班的操作人员却不认帐。

查作业记录，只能查到该批棒料为二班淬火、三班回火，而零件材料、淬火温度和冷却介质等工艺参数都没有记录。

笔者取一根棒料与45钢接头一同在盐浴炉中加热，然后在盐水中淬火冷却，冷却后约20～30min，该棒料开裂，并且裂纹形状与上述裂纹形状相同。

在事实面前，操作人员才承认是误将该批棒料当成45钢进行了淬火。

3.箱式电阻炉退火硬度不均匀
我公司生产的叶片泵的泵轴棒料，其材料为38CrMoAlA。

工艺路线为：退火→带锯下料→粗车→调质→精车→磨削→氮化。

带锯下料时，经常发现一根棒料上硬度不均匀、局部硬度偏高，下料效率低，锯条磨损快。

经分析，是因装炉时棒料长或棒料靠前。

该箱式电阻炉炉口处既没有加热电阻丝，热量损失又大，因此对于一般箱式电阻炉，装炉时零件应距离炉口内侧200～300mm，才能保证炉内零件加热温度均匀。

4.铸铁淬火应控制微量合金元素
铸铁导热。

性差，淬火冷却时一般用油冷。

铸铁的基体与钢相同，也是由珠光体和铁素体组成。

铸铁含碳量高，含碳量增加虽然能够增加淬透性，但毕竟增幅不大。

因此，提高铸铁件的淬透性：就靠铸铁中微量合金元素的作用，控制好合金元素含量，才能保证热处理淬火质量。

我公司生产的叶片泵定子，材料为耐磨合金铸铁，要求热处珲硬度50～
56HRC由于铸件中Cr、Mo、Mn和Sn等合金元素含量控制不好，因而热处理淬火后硬度不均匀，硬度偏低等现象时有发生。

有人曾提出，淬火后硬度偏低是由于铸件铸态基体组织中珠光体比例少，要求在淬火前增加正火工序。

试验表明，铸件经正火后再淬火，硬度依然偏低。

事实上，在相同的铸造条件下，铸件铸态基体组织中珠光体所占比例的多少，与其微量合金元素的含量有关。

5.结语
工艺加工过程中出现的许多问题，实际上都是由于工艺过程控制不严、生产管理混乱所致。

文中虽然提出了一些解决问题的思路和方法，但笔者思之再三，总觉得不是上策。

双副刃端面铣刀的设计与制造
2009-06-24 09:02
随着科学技术的不断发展，为了满足机器零件使用性能的特殊要求，一些高强度、高韧性、高耐磨性的新材料不断涌现。

然而这些新材料的切削加工，也给金属切削刀具的研究提出了新的课题。

它们在切削加工中的突出特征是：强度高、加工硬化严重、加工表面质量差、切削变形大、切削力大、切削温度高、刀具磨损快、断屑困难等。

如高锰材料在切削中，经塑性变形后使奥氏体组织变为
细晶粒的马氏体组织，其加工硬度由原来的180～220HBS提高到450～500HBS，加工硬化严重；冷硬层深度可达0.3mm以上。

另外高猛钢的导热系数为45号钢的0.25倍，韧性为45号钢的8倍，不仅切削力增大，而且使切屑不易折断。

从生产加工的现场看，在使用的可转位铣刀中，因铣刀几何参数选择不合理，且排屑和断屑控制不好，在强力铣削时造成经常性打刀和崩刃。

另外，吃刀深度大时，造成轴向定位不可靠，影响了可转位铣刀在难加工材料中的推广和应用。

1 角度选择
铣削接触状态分析铣刀角度的选择与铣削接触状态有直接的关系，良好的铣削接触状态是强力切削铣刀角度选择的主要问题之一。

如图!所示，当铣刀切入工件时，刀齿前刀面与被切削工件的接触点可假想为4个特殊点(U、V、S、T)。

由分析可知，为了防止刀齿崩刃，应将开始接触点选在离开主切削刃的! 点或点，其效果最佳。

切深前角gp和进给前角gf的选择根据以上分析，为使刀齿切入工件时的初始接触点为U点或者V点，铣刀的前角选择至关重要。

当进给前角gf比铣刀切入角d1小的愈多时，刀齿切入时间愈长，铣刀切入时的冲击过程也就进行得愈缓和，从而减少硬质合金铣刀因热裂所引起的刀具破损；负的切深前角gp可以提高刀齿的耐冲击性，负的进给前角gf既能增强切削刃强度，又便于切屑卷曲、折断和排除。

所以通过分析和实验比较，我们选择了负前角型铣刀角度，即gp=-5°，gf=-8°。

刀尖参数选择由于切深前角和进给前角都为负值，使铣削过程中的切削变形大，切削力大，铣削温度有所升高。

尽管强力切削因选取大的切削深度和进给量，形成宽而厚的切屑能够降低切削区温度，但是合理选取偏角也是至关重要的。

根据强力切削的加工要求，考虑到系统刚度和改善散热条件等问题，选取主偏角kr=。

75°同时，为了提高刀尖部分的强度，本设计采取了双副刃结构(如图2)，即磨出kr1'=5°(刃长2mm)和kr2'=15°两段副刀刃。

另外，在刀尖处磨出了刀尖半径re=1.5±0.1mm的圆弧。

这种刀尖形式不但提高刀具强度，还减少了副后刀面对已加工表面的摩擦，减少了切削力，降低了切削温度，提高了刀具耐用度。

2 结构分析
刀片定位方式刀片在刀垫上的定位，不但要满足新刀片定位精度和可靠性的要求，同时还要保证刀片转位后的定位精度和可靠性，这是机夹转位刀具对刀片定位方式选择和定位元件设计要求的重要原则。

本设计采用“三点定位”方式，但考虑到强力铣削比一般铣削的切削力大，使刀垫上的定位点因受强烈的挤压变形而失去定位能力，影响定位精度和定位可靠性，所以，在刀垫的两侧面上采用了窄长面的定位结构。

为了提高定位的可靠性，对刀垫的定位面在加工尺寸精度和位置精度上提出了严格要求。

为了控制切削刃的端面跳动，刀垫轴向可以调整。

夹紧机构夹紧机构采用前压式楔块夹紧。

为了满足夹紧可靠，操作方便的要求，选择楔块楔角为12°。

夹紧着力点若在刀片的上部，刀片与刀垫定位面之间将会产生缝隙，从而破坏刀片的定位可靠性。

为了避免这一现象的发生，使刀片与刀垫定位面紧密结合，并能克服主切削力(Fz)对刀片定位精度的影响。

其夹紧着力点选在刀片的1/2再向上1mm处(如图3所示Fj)，实践证明效果良好。

铣刀槽的加工铣刀槽的加工是铣刀制造的关键工序之一。

它不仅要求刀槽本身的加工精度高，而且还要求刀槽之间的分度精度高。

若刀槽分度精度不高，将给刀槽磨削造成余量不均。

为了控制铣刀淬火后的热处理变形量，一是在铣刀
体粗加工后进行调质处理，为淬火做好组织上的准备，二是采用分级淬火法，从而有效地避免热处理变形和裂纹。

为了提高刀槽分度精度，在磨槽工序中，采用了磨槽专用夹具，保证了刀槽制造精度和分度精度的设计要求。

3 用量选择
根据难加工材料的切削特点，在铣削高锰钢、淬火钢、冷硬铸铁等材料时，特别是强力铣削钢件时，其铣削用量的选择一般是：铣削速度略低，以便降低铣削温度，减少刀具磨损，提高刀具的耐用度；铣削深度和进给量适当加大，以便保证刀具超过加工硬化层深度切削，减少刀具磨损和崩刃。

但是也要同时考虑，由于铣削深度和进给量的加大，造成铣削力增加，使铣削过程产生振动和切屑不易折断等问题。

4 铣削实验
实验条件
机床：X5020；
工件：ZGMn13 180～200HB
铣刀：d0=315 z=16 YT798双副刃端铣刀；
用量：Vc=25m/min ap fz=0.2mm/z。

实验结果连续铣削工件96件，铣削两个班次未发现铣刀崩刃、打刀、热裂等非正常磨损现象。

与其它铣刀相比生产效率提高近3倍，刀具耐用度提高1.5倍。

双副刃强力端铣刀具有合理的参数与结构，可靠的夹紧与定位、铣削用量大、刚性好、生产效率高、刀具使用寿命长等特点。

特别适于高锰钢、淬火钢、高合金钢等难加工材料的粗加工和半精加工，在全国刀协组织的刀具切削表演赛上，双副刃强力铣刀在加工高锰钢材料时，得到好评。

现已在二汽、大连柴油机厂等大型企业中广泛使用。

防止硬质合金刀具刃磨裂纹的工艺措施
2009-06-19 14:42
硬质合金刀片硬度高、脆性大、导热性差、热收缩率大，通常应采用金刚石砂轮进行刃磨。

但因金刚石砂轮价格昂贵，磨损后不易修复，因此很多工厂仍采用普通砂轮进行刃磨。

在刃磨过程中，由于硬质合金硬度较高，普通砂轮的磨粒极易钝化，剧烈的摩擦使刀片表面产生局部高温，形成附加热应力，极易引起热变形和热裂纹，直接影响刀具使用寿命和加工质量。

因此，应采取必要措施防止刃磨裂纹的产生。

通过加工实践，总结出以下可有效防止或减少刃磨裂纹的工艺措施。

1 负刃刃磨法
负刃刃磨法是指在刃磨刀具前，先在前刀面或后刀面上磨出一条负刃带。

硬质合金属于硬脆材料，刃磨时因砂轮振动使刀具受到冲击载荷，容易发生振裂；同时，磨削区的瞬间升温与冷却使热应力可能超过硬质合金的强度极限而产生热裂纹。

采用负刃刃磨法可提高刀片强度，增强刀片抗振性和承受冲击载荷的能力，并增大受热面积，防止磨削热大量导向刀片，从而减少或防止裂纹产生。

2 用二硫化钼浸润砂轮
在常温状态下，将粉状二硫化钼与无水乙醇制成混合溶液，然后在密闭容器内（防止乙醇挥发）将新的普通砂轮浸泡在混合溶液中，14小时后取出，自然
干燥18～20小时，使砂轮完全晾干。

经上述处理的砂轮内部空隙中充满二硫化钼，对磨粒可起到润滑作用，使砂轮排屑良好，不易堵塞。

试验证明，用二硫化钼浸润过的砂轮磨削硬质合金刀片时，磨削锋利，磨粒不易钝化，工件变形小，排屑顺畅，磨屑形状基本呈带状，可带走大部分磨削热，从而改善磨削效果，提高刀片成品率。

3 合理选用磨削用量
若刃磨过程中摩擦力过大，可导致磨削温度急剧上升，刀片易发生爆裂，因此合理选用磨削用量十分重要。

常用的合理磨削用量为：圆周速度v=10～
15m/min，进给量f纵=0.5～1.0m/min，f横=0.01～0.02mm/行程。

手工刃磨时，纵向和横向进给量均不宜过大。

4 其它工艺措施
刀杆刚性不足、刀具夹持不稳、机床主轴跳动等均可能引起刃磨裂纹的产生，因此，由机床、砂轮、夹具和刀具组成的加工系统应具有足够刚性，且应控制砂轮的轴向和径向跳动。

造成硬质合金刀具产生刃磨裂纹的因素较多，只有选用合适的砂轮，同时采用合理的磨削工艺，才能有效避免裂纹产生，提高刃磨质量。

钛合金深槽铣削加工用铣刀
2009-05-31 14:43
钛合金的弹性模量小、导热导温系数小，是一种典型的难加工材料，尤其进行深槽切削时难度更大。

图1所示为在某一钛合金零件上加工一个宽为4mm、深为30mm、长为300mm的深槽的加工实例。

对于普通材料(如45钢)，加工上述深槽常采用高速钢(W18Cr4V)锯片铣刀(φ120×φ40×4，60齿)进行铣削，并充分冷却，即可得到良好的铣削效果。

但对于钛合金TC4材料，用上述锯片铣刀切削深度为30mm的盲槽时，一个新刀片在加工第1～2件工件时刀具即产生磨损，其切削刃变钝，如不及时进行刃磨，则切削刃前方的挤压会明显增大，切削区的金属变形也增大，同时，磨损后刀具的后角不断减小，从而加大了刀具后面与已加工表面的摩擦力，使切削热增加，导致切削温度急剧升高。

在加工第三个零件时，其刀齿两侧刀尖明显烧坏，尤其是刀齿背部和容屑槽里都粘有钛屑，表明在切削过程中发生了严重的挤压。

这是由于除了钛合金导热导温系数小，钛合金材料与刀具材料摩擦系数大等原因造成切削温度急速升高外，还存在着由于容屑槽不够大导致排屑困难。

如对上述磨损的刀片进行刃磨，需将烧坏的刀尖完全磨出，其刀片直径要磨去3～4mm，这样，一把刀具的刃磨次数会大大减少，使刀齿的容屑槽变得更小。

实践表明，经过这样刃磨后的刀片，最多只能加工一个零件。

为此，在研究中试着将新刀片进行跳齿以增大铣刀的容屑空间，结果发现，这种方法可使刀具的寿命提高3倍左右，每个刀片可加工5个零件。

这种刀具可满足科研试制的需要，但不能满足批量生产的要求。

我们利用对锯片铣刀进行跳齿的办法，可使用于铣削钛合金TC4的锯片铣刀寿命得到显著提高。

这种方法可减少刀具与钛合金材料的摩擦，并可增大容屑空间，但这种方法的潜力有限。

从生产效率和成本的角度考虑，应设计硬质合金(YG15)焊接刀具和高速钢(W6Mo5Cr4V2Al)焊接刀具.
用硬质合金焊接刀具和高速钢焊接刀具对上述工件的开槽加工进行试验(切
削条件相同)，高速钢焊接刀具能加工6个零件，而YD15焊接刀具可加工30个零件。

综合锯片铣刀和跳齿锯片铣刀，在切削用量为ap＝7mm，f＝0.3mm/r，v ＝26m/min的条件下进行试验，可得出刀具磨损与加工槽数之间的关系。

从图3可以看出，在钛合金深槽铣削加工中，刀具的磨损主要与刀具材料有关，对钛合金这种难加工材料，应优先选用细颗粒硬质合金材料，可大大提高其加工效率和加工质量。

此外，刀具切削部分的结构也很重要，既要考虑刀齿有较大的容屑空间，又要考虑选用合理的齿数以提高加工效率。

因此我们选用4齿或6齿硬质合金焊接式槽铣刀，满足了钛合金深槽批量加工的要求。

试验表明，对于钛合金深槽铣削加工，采用跳齿锯片铣刀与常规锯片铣刀相比，刀具寿命提高3倍；采用YD15硬质合金焊接铣刀可显著提高刀具寿命。

透视铣削刀具
2009-05-27 14:45
不同形状的刀具具有不同的用途。

让我们来看一下各种形状对应的用途。

几乎所有的铣刀都能被用来进行传统的低速铣削，但当被用来进行涉及快速切削和更多行程的高速切削或“高性能”应用时，各种刀具之间的性能差别则显得重要起来。

特殊形状的刀具具有特殊的用途。

本文将介绍一些如何有效使用不同形状刀具的技巧。

这里谈到的四种基本型刀具广泛地使用于三维铣削和仿形铣削，但是在这些很宽的用途范围之内有很多特殊的应用，某种特定的刀具也许有更高的效率。

至少其中某几款刀具值得在一些通常考虑不到的应用里使用。

方肩立铣刀
对于使用方肩立铣刀的认识中很重要的一点是在切削时产生的热量很容易积聚在方的刀尖处。

在高速铣削中，为了减缓切削产生热量而导致的刀角磨损过快现象，切削速度也许不得不降低。

在铣削淬硬金属时，只有当刀尖不参与切削时才适合使用这种刀具。

例如精铣平底零件的竖直侧壁面。

而在铣削未经热处理的金属时，典型应用包括竖直壁面的粗铣和精铣。

具有刀尖圆角的方肩立铣刀
加了刀尖圆角的方肩立铣刀可允许更高的切削速度，这是因为切削产生的热量可扩散到刀具上更大的区域。

和圆刀尖的方肩立铣刀一样，这些刀具的典型应用包括未经热处理金属的竖直壁面粗铣和精铣。

此外，该刀具还可用来精铣经热处理的金属竖直壁面，是否平底皆可。

如果需加工成小圆弧时，也可使用该型刀具清根。

圆刀尖的方肩铣刀的另一应用是摆线加工。

这是一种刀具路径以固定圆弧半径作连续摆线进给。

(见左下图说明)尖角的方肩铣刀只能用于没有底部的摆线加工，而圆刀尖的方肩铣刀则可进行各种切深的摆线加工。

如左上图所示，牛鼻刀的外形与众不同。

不要将牛鼻刀和一种装多个圆刀片的仿形铣刀相混淆。

圆刀片仿形铣刀确实具有重要用途，但是由于有多个刀片，该类刀具并不具有牛鼻刀所具有的加工精度。

牛鼻刀用于中等范围的切削速度和相当高的切削载荷下粗铣加工型腔和型芯。

而牛鼻刀更好的一个用途则是精铣加工平面，包括分型面。

球头铣刀
在我看来，球头铣刀是高速加工最为通用的刀具。

球头铣刀可用来粗加工任。