钛合金加工用新型铣刀

作者:章宗城 文章来源:尚亚国际贸易公司 发布时间:2012-08-21
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图1  VFX型铣刀

航空航天领域中广泛地采用综合力学性能好、密度低、耐腐蚀性强的钛合金材料。钛合金为难加工材料其特性为:①导热性差,约为45号钢的1/5~1/7倍,切削中生成的热量不易排出。②切削时其变形系数(切屑厚度/切削深度)小于1或接近于1,故切屑薄不易断,切屑处理性差。③切屑与前刀面的接触面小滑动距离相对长,故切屑与前刀面形成长时摩擦,所产生的热与温度很高,可比切削45号钢高约一倍,致使刀具软化、变形,加剧磨损。④化学活性大,易与空气中氧等反应,使表面变硬,增加切削力。⑤钛切屑易黏结,黏结物被后续加工时,会造成刀具黏结损伤,降低寿命。⑥钛合金弹性模量小,弹性变形大。切削后的工件回弹会加剧对刀具的磨损、弹性变形及其恢复过程会形成振动。钛合金零件在铣削、钻削加工簿壁件时,其难加工特点尤为突出。故应尽量改善影响切削力,热和黏结的因素,提高工艺系统各部分刚性。

纯钛和纯铁一样,在一定的温度下会产生相变,它在882℃以下成为密排六方晶格的α钛,在882℃以上成为体心立方晶格的β钛。在其中加入合金元素后,会使其相变温度,各相的量发生变化,从而形成不同组织的钛合金。按照相组织来分,室温下分类为α钛合金、β钛合金、α+β钛合金。我国分别以TA、TB、TC表示。目前最常用的钛合金是Ti-6Al-4V,我国牌号为TC4,它属双相α+β钛合金,它的综合机械性能、组织稳定性能、热加工和热处理性能均好。以它为铣加工对象,三菱公司最近研发制造了VFX系列立铣刀(图1)。用它的周刃可加工侧面,底刃可加工平面。粗大的刀体和立装刀片使其整体刚性提高。刀片下部呈V形,可被刀体上的大角度双V形定位块定位,再加侧面定位,这种定位安装刚性很高。立铣刀与工件相对位置稳定,加工精度和加工表面质量得以提高(图2)。VFX系列铣刀的刀片材料是MP9030,这是针对钛合金新开发的。它是在强韧性导热性好的硬质合金基体上加(Al,Ti)N-Ti化合物新型涂层,加工中可发挥较优异的耐磨性和耐破损性。


图2  切削刃及其定位特点

刀刃呈曲线形,切入工件平稳,切削力减小,工件和刀具的变形小,生成热量较小。VFX型铣刀针对钛合金切屑易黏结,在排除切屑方面,也设计制出了新结构(图3),内部的冷却液(如图)可直接作用在切屑上,使其上抬离开前刀面并强制排出。VFX系列铣刀的冷却润滑液喷嘴可据机床所供压力进行更换,不同的压力有不同的孔径,不同流量的喷嘴。本系列共有4种规格。现铣刀直径有63mm(4刃齿列)、80mm(5刃齿列)、100mm(6刃齿列)三种。VFX系列立铣刀粗加工效率特别高,以直径为63mm为例,最大排屑量可达400cm3/min。用硬质合金刀片切削钛合金的速度不宜过高,VFX系列铣刀选40~60m/min即可,过高的切削速度会造成过热,形成黏结磨损破损,扩散磨损等使刀具寿命降低。并可使钛合金工件表面烧伤、氧化、开裂。


图3  冷却液排出法

一般立铣粗加工大工件时,为经济起见可用带可转位刀片的立铣刀,而在精加工则多用精度较高的整体立铣刀。三菱公司为精加工钛合金、耐热合金等开发了整体硬质合金立铣刀,如VF-MHV、VF-6MHV、VF-8MHV等型号的方头立铣刀;VF-MHVRB、VF-6MHVRB、VF-8MHVRB等圆头立铣刀;VF-4SVB球头立铣刀。它们的特点是:①同一立铣刀各刃列螺旋槽的角度和导程不同,分别为42˚/45˚和43.5˚/45˚等,可提高其抗振性能和加工质量。如采用VF-MHVD1000(Ф10)立铣刀加工Ti-6Al-4V台阶面,转速800~4000r/min,进给速度160~800mm/min,使用水溶性冷却润滑液,在这样宽的切削条件范围内,在当侧吃刀量ae=1mm以下,均获得很光洁的表面,而不用抗振的立铣刀;在转速稍高,ae稍大时,即发生很大的振动并产生振痕,表面质量差,不能进行稳定加工。②设计制造出适应不同导程和螺旋角的螺旋槽断面形状,使切屑顺利排出,减少黏结,减小切削力,间接减少了故障,有利于稳定加工。③立铣刀型号中6MHV、8MHV等表示立铣刀刀刃数由普通的4刃增加到6刃、8刃。刃数增多,则槽深,容积减少,立铣刀的芯部增粗,刚性增大了,有利于精加工。

这些整体立铣刀的基体材料采用耐破损性能好的超微粒硬质合金。立铣刀切削部分表面采用三菱公司自己开发的Impact Miracle涂层代号为VF,实为(Al、Ti、Si)N纳米涂层,其硬度高达HV3700,这接近了CBN的硬度。氧化过程起始温度高达1300℃,与基体结合力达100N(用抓痕法测定的临界负荷),800℃时摩擦系数仅为0.48(球盘法测定)。正是由于其硬度高,耐高温故为其加工钛合金等耐热难加工材料提供了较好的基础条件。

为了进一步提高对钛合金等难削材料的加工质量和效率,三菱公司又开发了CoolStar系列整体立铣刀,其背景是在上述整体硬质合金立铣刀型号的基础上发展起来的。其最大特点是整个立铣刀切削部分分布许多冷却液孔,这些冷却液孔的位置均经过优化,使其能够发挥优异的冷却作用,提高加工稳定性。

CoolStar系列有4刃、6刃、8刃的直角头,圆弧头,刃部带排屑槽(用于快速碎断切屑)高效粗加工的三类立铣刀。由于刀具整体各处均能稳定地供应冷却液,可以顺利地实现各种加工。

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