鈦合金由于比強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、抗腐蝕性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被航空航天領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。然而由于減重等需要，鈦合金零件多設(shè)計(jì)為薄壁，給機(jī)加工帶來(lái)了很大的難題，特別是圓角數(shù)控銑削的質(zhì)量難以控制。圓角走刀由直線段進(jìn)入曲線段過(guò)程中，徑向切削深度和真實(shí)進(jìn)給量發(fā)生了突變，且該變化對(duì)切削力的影響很大，使加工過(guò)程無(wú)法順利進(jìn)行。相關(guān)文獻(xiàn)已對(duì)型腔圓角的切削力進(jìn)行了相應(yīng)的研究。
圓角數(shù)控銑削一般方法
現(xiàn)在圓角銑削采用zui多的是等半徑靠刀法。例如：zui終將要加工r6 的圓角，一般先采用φ 20mm剛性較好的刀具將側(cè)壁加工到zui終尺寸或留少量的精加工余量，再分別換較小的刀具來(lái)接圓角，所需換的刀具的數(shù)量及大小根據(jù)實(shí)際情況制定。等半徑靠刀法的優(yōu)勢(shì)在于：先通過(guò)剛性較好的大直徑刀具去除了大部分金屬材料，留給剛性較弱刀具加工的部分僅是圓角處較小的一部分，避免了直接采用細(xì)長(zhǎng)刀具在大切削用量情況下的加工變形和切削振動(dòng)現(xiàn)象。該方法在一定程度上解決了圓角加工的拉刀難題，但頻繁的換刀和對(duì)刀會(huì)造成加工周期延長(zhǎng)等問(wèn)題，更重要的是該方法也沒(méi)有*解決拉刀和振紋等加工問(wèn)題。
鈦合金薄壁件圓角數(shù)控銑削難點(diǎn)分析
鈦合金薄壁件在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣，具有側(cè)壁和腹板是這類零件的典型特征，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對(duì)剛度較低，故加工工藝性差。加工變形和加工效率低等已成為約束鈦合金薄壁零件加工的重要問(wèn)題。在切削力、裝夾力、切削振顫等因素作用下，易發(fā)生加工變形特別是圓角處加工質(zhì)量和精度不易控制等現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，刀具從直邊切入圓角以后，在圓角處存在明顯的切削力*突變現(xiàn)象，常常發(fā)生欠切、過(guò)切、振顫等現(xiàn)象，因而出現(xiàn)明顯的過(guò)切、欠切痕跡或振紋，這不僅嚴(yán)重地影響了零件的加工質(zhì)量，降低了刀具使用壽命，而且降低了生產(chǎn)效率。鈦合金薄壁件圓角數(shù)控銑削存在以下加工難點(diǎn)。
（1）鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，薄壁件圓角加工前后受熱變形。
鈦合金材料導(dǎo)熱導(dǎo)溫系數(shù)僅為鋁及鋁合金的1/15、鋼的1/5，并小于不銹鋼和高溫合金。低的導(dǎo)熱率使鈦合金薄壁件在切削加工中產(chǎn)生較大的溫差和熱應(yīng)力，造成切削熱量不易散發(fā)，產(chǎn)生刀具粘結(jié)磨損、薄壁受熱變形，圓角數(shù)控銑削時(shí)此現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。
（2）鈦合金切削過(guò)程中刀刃部位應(yīng)力大，影響薄壁件圓角加工質(zhì)量。
鈦合金的切削力雖然只有45號(hào)鋼的1/3~1/2，但是鈦切屑與前刀面的接觸面積小，只有45號(hào)鋼的1/2~2/3，單位接觸面積上的切削力大大增加，所以切削刃所承受的應(yīng)力是碳鋼的1.3~1.5倍，刀刃應(yīng)力集中，極易造成崩刃現(xiàn)象。圓角數(shù)控銑削過(guò)程中，數(shù)控程序一般采用恒定的進(jìn)給速度，但實(shí)際瞬時(shí)進(jìn)給速度發(fā)生了突變，刀具在切削鈦合金薄壁件圓角處更容易發(fā)生崩刃現(xiàn)象，一旦產(chǎn)生刀具崩刃，很有可能會(huì)劃傷加工表面，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。
（3）鈦合金在高溫切削時(shí)化學(xué)活性高，大大降低了薄壁件疲勞強(qiáng)度。
鈦合金的化學(xué)活性大，在切削溫度高、單位面積切削力大的條件下，很容易吸收空氣中的氧氣和氮?dú)庑纬捎捕嗟耐馄?，同時(shí)切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生塑性變形，也會(huì)形成非常堅(jiān)硬的氧化層，導(dǎo)致發(fā)生表面硬化，在圓角數(shù)控銑削時(shí)由于切削力的突變，且瞬時(shí)切削量大，產(chǎn)生的切削溫度也相對(duì)較高。研究表明，在這種冷硬現(xiàn)象下圓角處的疲勞強(qiáng)度大大降低，在今后零件的使用過(guò)程中存在巨大的安全隱患。
（4）鈦合金薄壁件圓角數(shù)控銑削中切削力突變。
對(duì)鈦合金薄壁件的圓角加工，一般編程人員會(huì)考慮采用等徑向切深切削，即在一次走刀過(guò)程中徑向切深為一定值，當(dāng)?shù)毒哂芍本€走刀過(guò)渡到圓弧走刀的時(shí)候，由于切削夾角的增大而使刀具與工件的接觸面積增加，從而引起切削力的*突變并容易誘發(fā)切削振動(dòng)，還會(huì)造成刀具和工件的加工變形增大或拉刀現(xiàn)象，切削振動(dòng)則會(huì)在圓角處產(chǎn)生振紋，影響零件的加工質(zhì)量。采用與圓角相同半徑的刀具進(jìn)行切削時(shí)，切削面積比走直線切削時(shí)要大的多，會(huì)引起切削力的劇增。此外，在加工深型腔的小半徑圓角時(shí)，采用長(zhǎng)徑比較大的細(xì)長(zhǎng)刀具以及薄壁件自身剛性的降低，也是誘發(fā)切削振動(dòng)的原因之一。
將瞬時(shí)切削工序的瞬時(shí)徑向切削深度、瞬時(shí)真實(shí)進(jìn)給量代入切削力經(jīng)驗(yàn)公式, 可得到瞬時(shí)的切削力。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行了深入研究，證實(shí)了圓角數(shù)控銑削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生切削力的突變。
鈦合金薄壁件圓角數(shù)控銑削質(zhì)量控制方法
1 合理選擇刀具的材料、結(jié)構(gòu)以及銑削方式
鈦合金薄壁件圓角數(shù)控銑削一般不使用鎢鈦鈷（yt）類刀具，而采用鎢鈷（yg）類硬質(zhì)合金刀具，常用的牌號(hào)為yg3、yg3x、yg6、yg6x、yg8等，一般鈷含量少的用于精加工，含量多的用于粗加工。yg6x的加工效果，yg8其次，因?yàn)閥g6x的晶粒比yg8更細(xì)，所以在硬質(zhì)合金刀具的選擇時(shí)，應(yīng)盡量選擇細(xì)化晶粒的刀具。
在加工過(guò)程中，刀具和工件都不允許停留，如果停止，刀刃和被切削的鈦合金就會(huì)在高負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間摩擦，容易引起鈦合金的加工硬化，產(chǎn)生磨損、燒結(jié)和擠裂而損壞刀具。刀具的切削部分盡量要短，以減少溫升造成的熱膨脹，在容屑足夠的情況下盡量加大切削刃厚度（刀具刀口厚度）、提高刀具的強(qiáng)度和剛度等。
2 提高工藝裝備系統(tǒng)的剛性
提高工藝裝備系統(tǒng)的剛性可以適當(dāng)減少刀具在圓角切削時(shí)發(fā)生的振顫，提高圓角加工質(zhì)量。比如改善裝夾方法、提高裝夾穩(wěn)定性等方法可以適當(dāng)降低振顫。目前大多工廠已在硬件上進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)以提高表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
3 改善冷卻方案
由于鈦合金的導(dǎo)熱、導(dǎo)溫系數(shù)低，熱量不易擴(kuò)散，導(dǎo)致薄壁件圓角數(shù)控銑削時(shí)切削力突變，因此必須在加工過(guò)程中進(jìn)行冷卻：粗加工時(shí)，可采用3％~5％ 的乳化液或10％~15％的極壓乳化液；精加工時(shí)，可采用極壓切削油或極壓水溶液；有能力的情況下可采用微量潤(rùn)滑技術(shù)（mql），與傳統(tǒng)的濕切削相比，該項(xiàng)技術(shù)有著更明顯的優(yōu)勢(shì)，從切削液用量和刀具壽命方面考慮，mql 技術(shù)幾乎無(wú)污染，節(jié)約切削液采購(gòu)和維護(hù)費(fèi)用，切屑可以直接回收，刀具壽命成倍延長(zhǎng)、刀具成本降低，有利于自動(dòng)加工、檢測(cè)和監(jiān)控，zui重要的是可以保證圓角加工質(zhì)量、成倍提率。
4 優(yōu)化圓角切削路徑
除了硬件設(shè)施提高以外，針對(duì)圓角加工問(wèn)題，比較簡(jiǎn)單有效的方法即是對(duì)刀具加工路徑進(jìn)行優(yōu)化。細(xì)化圓角刀具路徑的方法早期由m. d.tsai等人提出，主要解決傳統(tǒng)數(shù)控加工型腔時(shí)在圓角走刀過(guò)程中的切削穩(wěn)定性問(wèn)題。由于切削力的大小主要由刀具與工件的接觸面積即切削面積確定，因此保持刀具的切削夾角恒定就可有效避免切削力的突變。細(xì)化圓角刀具路徑的方法，其思想就是在走刀過(guò)程中保持刀具切削夾角恒定，或者附加走刀路徑，以減小刀具在圓角處的切削面積，從而避免切削力的*突變，如下圖所示。按照?qǐng)D（a）中的曲線路徑走刀，就能保持恒定的銑削夾角，銑削圓角時(shí)從直線段進(jìn)入圓弧段過(guò)程中的切削量保持恒定，如圖中保持恒定的徑向切深ae，有效避免了切削力的瞬時(shí)突變，從而提高了圓角的銑削質(zhì)量。
圖（b）中的軌跡1為常規(guī)走刀路徑，采用等半徑靠刀法靠出圓角，細(xì)化后的刀具路徑由軌跡2、3和1組合而成。從圖中可以看到，先通過(guò)軌跡2 去除圓角的部分余量，再空切返回（軌跡3），然后仍按原軌跡1走刀，等同于保持了恒定的切削夾角，從而提高了圓角數(shù)控銑削的質(zhì)量?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況選擇細(xì)化路徑的次數(shù)，但也不能過(guò)多，否則會(huì)導(dǎo)致切削時(shí)間增加，降低生產(chǎn)效率。
5 恒定進(jìn)給速度
進(jìn)給速度是圓角數(shù)控銑削中的一個(gè)重要參數(shù)，如果在圓角數(shù)控加工過(guò)程中實(shí)際銑削進(jìn)給速度存在劇烈變化，將對(duì)圓角加工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為保證圓角切削質(zhì)量，恒定刀具切削部位進(jìn)給速度是一種比較可取的方法。時(shí)間倒數(shù)模式（g93）進(jìn)給速度定義如下：
f = v/60sl ，式中，v為常規(guī)模式（g94）進(jìn)給速率，單位為mm/min ；sl為跨度距離，單位為mm?；?jiǎn)得：f=1/δt，單位為1/s，即：δt=1/f，單位為s。
可以看出，無(wú)論程序段有幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，且不論是移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)，所有的運(yùn)動(dòng)軸都在規(guī)定的時(shí)間δt內(nèi)到達(dá)位置。
因此，可以根據(jù)圓角的大小，選定銑削該圓角需要的切削時(shí)間，數(shù)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)給定的進(jìn)給速度算出單位時(shí)間內(nèi)刀具在圓角過(guò)渡處的旋轉(zhuǎn)角度，可以有效減小單位時(shí)間內(nèi)的切削面積，保證圓角數(shù)控銑削質(zhì)量。
試驗(yàn)與分析
為了驗(yàn)證上述控制鈦合金薄壁件圓角質(zhì)量方法的合理性，分別對(duì)某tc4 鈦合金艙體上的不同部位進(jìn)行了幾種方法的試驗(yàn)。在保持刀具與文中所述選擇一致、穩(wěn)定的工藝裝夾系統(tǒng)、持續(xù)冷卻狀態(tài)的條件下，著重研究了細(xì)化走刀路徑以及恒定進(jìn)給速度的方法對(duì)提高圓角數(shù)控銑削質(zhì)量所起的作用。
（1）在haas-ec1600加工中心上進(jìn)行了刀具路徑細(xì)化試驗(yàn)，銑削內(nèi)容為殼體上的一個(gè)窗口，窗口圓角半徑為3mm，刀具采用φ6mm兩齒螺旋立銑刀，直邊徑向切削深度為3mm，軸向切削深度為1.5mm，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min，進(jìn)給速度為60mm/min。
顯然，細(xì)化了圓角走刀路徑以后，在圓角處zui后一刀切削時(shí)，切削力的幅值比直接走刀有顯著的下降，避免了在圓角處由于切削力的*變化而導(dǎo)致的欠切、過(guò)切或振動(dòng)的產(chǎn)生，且加工出的圓角質(zhì)量有了明顯的提高。但是細(xì)化后的走刀時(shí)間明顯大于一般走刀時(shí)間，因此必須兼顧加工效率，合理選擇細(xì)化次數(shù)。
（2）在cincinnati-15vc加工中心采用恒定進(jìn)給速度的方法進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)控系統(tǒng)為micron850，加工內(nèi)容為艙體內(nèi)腔的5mm圓角，加工程序采用g93編程，刀具采用φ10mm兩齒螺旋立銑刀，直邊徑向切削深度為1mm，軸向切削深度為2mm，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為800r/min，進(jìn)給速度為0.3（1/s）。
加工過(guò)程中實(shí)際切削進(jìn)給速度恒定，加工完成后得到的零件經(jīng)過(guò)測(cè)量，形位尺寸精度、表面質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有明顯的振紋和拉傷痕跡。
結(jié)束語(yǔ)
在鈦合金薄壁件圓角的銑削過(guò)程中，由于圓角處切削面積的變化等原因，會(huì)產(chǎn)生切削力劇增的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成欠切、過(guò)切、切削振動(dòng)等問(wèn)題，嚴(yán)重地影響了工件的加工質(zhì)量。除了對(duì)刀具、工藝裝備系統(tǒng)的剛性、冷卻方式等硬件設(shè)施進(jìn)行改善外，可通過(guò)細(xì)化走刀路徑、恒定切削速率等方法，有效解決圓角數(shù)控銑削過(guò)程中的加工難題，并可解決欠切、過(guò)切、振紋等問(wèn)題，從而提高工件的加工精度。