航空用TA15鈦合金零件銑削加工性能的研究與應用

發布時間：2024-02-04 23:23:38 瀏覽次數：

1 、序言

鈦合金是航空航天領域常用的難加工材料之一。鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好及高溫和低溫性能好等一系列優點，被大量應用于航天、航空、醫學、航海和汽車等行業[1]。 TA15材料是常見的鈦合金牌號，其屬于高Al含量的近α型鈦合金，具備α型鈦合金良好的熱強性及可焊性，又具有接近α+β型鈦合金良好的工藝塑性。未退火時，TA15 具有中等的室溫和高溫強度、良好的熱穩定性以及焊接性能，相比 TC4 鈦合金具有更高的室溫、高溫強度以及焊接性能，硬度稍大于40HRC。

鈦合金螺絲

由于鈦元素化學活性大、材料彈性模量低、切削溫度高、切屑和刀具的前刀面接觸面積小、摩擦系數大且加工硬化嚴重，導致TA15鈦合金加工性能較差[2]。 TA15鈦合金銑削加工時應當注意刀具選擇，在深腔銑削時要注意加工策略的選擇。

2、 TA15鈦合金銑削加工刀具選擇

TA15鈦合金銑削加工要求刀具應當保持較小的切削力、較強的耐熱性及抗磨損性。在選擇加工刀具時應當遵循以下原則。

2.1 轉位刀片式銑削刀具涂層的選擇

鈦合金加工的難度主要為切削溫度高，材料導熱性差造成刀具磨損快，壽命低。刀具涂層能減少刀具材料與鈦合金之間的摩擦，減少切削熱；也能屏障切削熱對刀具的影響[3]。因此加工鈦合金刀具的壽命多取決于涂層的選擇。

刀具涂層分為P V D（物理氣相沉積）涂層、CVD（化學氣相沉積）涂層。CVD涂層能有效抵御切削過程中高溫的影響，適宜于粗加工刀具；PVD涂層厚度較小，有利于保證刀具幾何精度，適宜于精加工刀具。鈦合金加工需要鋒利的刀具刃口，減少切削力及切屑與刀具的摩擦。因此優選PVD涂層。

涂層材料推薦使用AlTiN，與單一的TiN涂層相比，具有很高的高溫硬度和優良的抗氧化性能，在切削過程中涂層中的Al元素氧化生成化學性質穩定的Al2O3，對刀具起到保護作用。AlTiN目前已經成為新一代優質刀具的主流涂層選擇，成本較低，經濟性較好。

基于此，鈦合金銑削刀具優選PVD+AlTiN涂層。常見刀具品牌中，伊斯卡刀具推薦采用涂層牌號I C882，山特維克可樂滿刀具推薦采用涂層牌號G C1025，肯納金屬刀具推薦采用涂層牌號KC5525。

2.2 轉位刀片式銑削幾何參數的選擇

（1）主偏角的選擇主偏角的不同影響主軸方向施加力、切屑厚度等。圖1所示為常用不同主偏角。

90°主偏角能直接加工出垂直臺階面，具備通用性強的特點，切削力完全沿徑向，隨著主偏角的減少，切削力沿軸向的分力越來越大。

銑削深腔或大深度臺階面時，刀具懸深較大，刀桿剛性較差，不適于選擇90°主偏角。隨著主偏角減少，同等進給量條件下，切屑厚度大大減少；根據現行薄切屑理論，主軸沿X、Y方向切削力大大降低，可選擇大進給量、小切削深度、一定切寬的加工策略[4]。這也是目前大進給量銑削刀具的理論基礎。選用小直徑銑刀刀柄、快進給刀片和強力夾持夾頭組成的刀具系統，在實現高效加工的同時，體現了較好的經濟性。小直徑快進給刀具系統如圖2所示，其相應刀片幾何參數及性能參數如圖3所示。

主偏角的選擇優選小主偏角，推薦使用主偏角為10°～25°的快進給銑刀。

（2）軸向前角、徑向前角的選擇軸向前角、徑向前角按其角度值的正負進行組合，分為正負、正正、負正、負負多種組合。鈦合金加工應優選正軸向前角、正徑向前角，能減少切削力，排屑遠離零件，適宜加工如鈦合金等硬度較低的金屬材料[5]。

（3）齒距及齒數為抑制刀具切削過程中產生的振動，推薦使用不等齒距刀具。圖4為不等齒距離示意。鈦合金加工過程中不推薦使用密齒刀具。

2.3 整體硬質合金銑削幾何參數的選擇

整體硬質合金銑刀在加工鈦合金時，除上述刀具涂層原則、不等齒距原則和正徑向前角原則，還應注意螺旋升角的選擇。

大螺旋升角意味著刀具切削過程更大的切削刃長，帶來更大的接觸面積，抑制刀具切入切出帶來的振動，從而提高刀具壽命。太大的螺旋升角不利于刃口強度，因此螺旋升角應適當地大，推薦30°～40°。圖5所示為螺旋升角對切削刃長的影響示意。

3 、TA15鈦合金零件銑削加工實例

某零件三維結構如圖6所示，材料TA15，在首次加工中主要存在的問題：一是加工深腔過程中，刀具易折斷；二是切削余量較大，加工過程中刀片磨損嚴重。

為解決上述問題，從刀具選擇及加工策略兩方面進行改進。

3.1 刀具型號選擇

依據本文提及的刀具選用原則，在轉位刀片式銑削時，選擇快進給刀具減少刀具磨損。

加工深腔特征目前使用刀片及刀桿情況見表1。

實際使用中刀具磨損特點如下所述。隨著加工時間變長，后刀面磨損經歷了刀具涂層脫落→刀具刃口發生磨損，出現白色的磨損帶→磨損帶寬度加大，刀具刃口出現鋸口狀崩刃→刀具刃口磨損寬度變大，刀具刃口在最大切削深度附近出現月牙狀磨損，刀具基本失去切削能力，切削時機床振動加劇，主軸負荷百分比迅速增加。

在刀具不同磨損階段，切屑狀態不一致，如圖7所示，左側為磨損后期，切屑首部及尾部對應刀具的切入、切出加工階段，形成不規則的分叉及翻邊；右側為刀具未磨損狀態，切屑首部及尾部光順。

3.2 加工策略的改進

改變編程方式、走刀方式及最大程度降低刀具徑向所受切削力，采用深腔動態銑削和插銑清根的組合方式進行探索嘗試。

下面以一個典型深腔（圖6紅色標注部位）加工特征進行詳細說明。加工特征：腔深180mm，拐角圓角半徑8.5mm，根部圓角2mm，采用正常腔銑削時，走刀路徑采用Outward helical，所購某品牌快進給刀具f16mm進給率最高120mm/min，拐角降速50%，切削深度最高0.8mm，轉速400～600r/min，加工過程中直接折斷，加工側壁出現過切及啃刀現象。采用動態銑削時，走刀路徑采用Concentric，進給率180mm/min，切削深度1mm，轉速600r/min，走刀路徑仿真如圖8所示。實際仿真效果如圖9所示，動態銑削后拐角處有殘留（綠色部分），刀具刀片及刀桿壽命良好，加工側壁質量良好，拐角處刀具切削狀態良好。拐角處殘留采用插銑來最大程度降低刀具徑向所受切削力，提高刀具的使用壽命。拐角處插銑路徑仿真如圖10所示，實際仿真效果如圖11所示。插銑切削參數轉速600r/min，進給率200mm/min。