■哈爾濱建成集團(tuán)有限公司 （黑龍江 150030） 張廣華

難加工材料的加工要素

■哈爾濱建成集團(tuán)有限公司 （黑龍江 150030） 張廣華

摘要：通過(guò)分析難加工材料的機(jī)械特性，提出從控制切削力因素、加工輔助工藝、高效加工工藝和加工效率與刀具消耗的性價(jià)比4個(gè)方面，解決難加工材料的加工效率低、刀具壽命短的問(wèn)題，并提出了難加工材料的解決方案。

隨著科技的發(fā)展使得當(dāng)今大量零部件的結(jié)構(gòu)異形化、形狀復(fù)雜化及型面多樣化，如鈦合金的整體葉輪、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤。難加工材料如奧氏體不銹鋼、淬火鋼、鈦合金、高溫合金和鈦合金等材料，一方面由于難加工材料硬度高、熔點(diǎn)高、耐磨性好、抗氧化和抗腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以其在航空航天和石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；另一方面難加工材料這些特性使得加工過(guò)程中切削力大、切削區(qū)溫度高、切屑不容易折斷、加工表面完整性差且刀具壽命短。

傳統(tǒng)材料的加工工藝、加工方法和加工刀具無(wú)法滿足難加工材料結(jié)構(gòu)件的加工要求，需要從難加工材料及其結(jié)構(gòu)件的可加工性和加工工藝方法出發(fā)，提出合理的加工方法：采用相位圖方法分析難加工材料的可加工性；選取適合的加工工藝方法——高壓冷卻方法，微量潤(rùn)滑切削（MQL）加工，加熱（激光）輔助切削加工，低溫冷卻輔助切削加工；還有提高難加工材料切削效率的方法：刀具設(shè)計(jì)、刀具涂層和材料、刀具幾何參數(shù)的合理選擇、選取合理的切削用量和加工方式。針對(duì)難加工材料的加工可以參照一些廠家的加工方案。

本文主要討論難加工材料需要考慮的4個(gè)要點(diǎn)：用合理的刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)來(lái)控制切削力、冷卻潤(rùn)滑輔助工藝、合理的加工工藝和考慮刀具性價(jià)比的合理刀具效率。并且列舉幾個(gè)山高刀具對(duì)難加工材料及其結(jié)構(gòu)件的解決方案，提高難加工材料的加工效率和刀具壽命。

1. 切削難加工材料的要素

（1）適當(dāng)?shù)乜刂频毒叩那邢髁ΑＧ邢髁Φ姆较蚝痛笮≈苯佑绊懙毒叩氖褂脡勖肮ぜㄓ绕涫潜”诩┑募庸べ|(zhì)量。切削參數(shù)對(duì)切削力的影響如圖1所示，山高推出的計(jì)算主切削力的Kienzle定律，橫向?yàn)槊哭D(zhuǎn)進(jìn)給量或切削深度，縱向?yàn)榍邢髁?。進(jìn)給量比切削深度對(duì)切削力的影響更顯著，如山高刀具公司整體合金銑刀研發(fā)出專用于高溫合金、鈦合金及不銹鋼等材料的高效刀具，既提高了加工效率和刀具壽命，又能降低加工風(fēng)險(xiǎn)，保證零件的加工質(zhì)量。

（2）合理的輔助加工工藝措施。加工難加工材料時(shí)，適當(dāng)?shù)靥岣呒庸ぞ€速度并實(shí)施充分的冷卻，能夠有效的斷屑。如山高刀具公司推出的Jetstream Tooling飛流系統(tǒng)等，使切削液更充分地噴射到加工點(diǎn)上，能有效地降低切削熱，對(duì)潤(rùn)滑刀具效果好，有利于切屑的折斷，特別適用于不銹鋼、鈦合金及高溫合金等難斷屑材料的加工。

圖1　切削參數(shù)對(duì)切削力的影響

（3）選用高效加工方法加工難加工材料。目前常用的幾種高效加工方法有：片皮法、層切

法、擺線法及插銑法等。如采用片皮法大切深小切寬的方式，盡可能地使刀具少處在產(chǎn)生熱量區(qū)域內(nèi)而多處于散熱區(qū)域，以提高刀具壽命。無(wú)論采用哪種方法，其目的都是在加工過(guò)程中減少加工熱的產(chǎn)生。難加工材料的高效加工方法會(huì)顯著地影響刀具的加工效率和刀具壽命。

（4）刀具性價(jià)比的均衡。很多人都很看重刀具的價(jià)格及使用壽命而往往忽視了刀具的效率問(wèn)題，然而刀具效率的提升所節(jié)約下來(lái)的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于刀具自身的成本。圖2所示是切削速度與刀具成本、機(jī)床成本、總加工成本和每小時(shí)加工零件數(shù)的關(guān)系圖，從圖2中可以看出，既保證加工效率（每小時(shí)加工零件數(shù)），又兼顧其他成本時(shí)，加工需要選取合理的加工速度。

圖2　切削速度對(duì)加工成本影響圖

2. 難加工材料的加工實(shí)例

實(shí)例1：采用刀具涂層和高壓冷卻進(jìn)行鈦合金的銑削。

對(duì)Ti6A l4V材料機(jī)匣件在200 bar情況下的加工案例，加工條件如下：刀桿型號(hào)為 R220.69 -0040-12-5，F(xiàn)40M涂層，其刀片型號(hào)為XOEX120416RM07/XOMX120416R-ME08；切削參數(shù)： fz= 0.14mm/z，ap=2mm，ae= 15mm，1MPa高壓冷卻。機(jī)匣件如圖3所示，材料為Ti6Al4V。刀具涂層如圖4所示，包括有TiN、（Ti，Al）N、Ti （C，N）和TiN結(jié)合涂層。切削速度對(duì)刀具壽命的影響如圖5所示，縱向?yàn)榈毒哌B續(xù)切削時(shí)間，橫向?yàn)榍邢骶€速度，從而可以看出采用涂層的刀具切削Ti6Al4V的切削速度在60～80m/min時(shí)，刀具壽命較短，為了保證該涂層的刀具壽命，可選切削速度為40～50m/min。

圖3　機(jī)匣件

圖4　刀具涂層示意圖

圖5　切削速度對(duì)刀具壽命影響

實(shí)例2：新型銑刀高進(jìn)給銑削的應(yīng)用。

（1）采用較小的軸向切削深度，較大的每齒進(jìn)給量（尤其對(duì)于加工大懸伸深模腔時(shí)，傳統(tǒng)圓刀片銑刀軸向切深不大），實(shí)際金屬切除率明顯提高，比用傳統(tǒng)圓刀片加工效率高。

（2）新型銑刀與圓片銑刀的總切削力方向如圖6所示，該種新型銑刀的總切削力的軸向分力較大，提高刀具切削剛性，尤其當(dāng)加工大懸伸深模腔時(shí)，加工穩(wěn)定性比傳統(tǒng)圓刀片銑刀好。山高新產(chǎn)品軸向切削深度高達(dá)1.8mm。

新型銑刀加工模具型腔如圖7所示 。加工要求、條件及狀態(tài)：加工模具型腔，預(yù)硬模具鋼56HRC；刀杠型號(hào)為R217.21 -2525.0-R100.3 (φ25 mm)；刀片型號(hào)：218.19-100T-T3 -MD06，F(xiàn)15M；切削參數(shù)：Vc=195m/min，N=2 500r/min，fz=0.53mm/z，Vf=4 000mm/min，ap=0.3mm。

圖6　新型銑刀與圓片銑刀的總切削力方向

圖7　新型銑刀加工模具型腔

3. 結(jié)語(yǔ)

難加工材料的機(jī)械特性決定了其可加工性差的特點(diǎn)?？刹捎眠x配適合的刀具和加工參數(shù)降低切削力。采用高壓冷卻的輔助加工工藝，選用適合的高效加工方

法，考慮刀具性價(jià)比均衡優(yōu)化等要素，可提高難加工材料加工效率，降低刀具成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李新龍，何寧，李亮. 綠色切削中的MQL技術(shù)[J]. 航空精密制造技術(shù)，2005（2）：24-27.

[2] 吳雪峰，王揚(yáng). 激光加熱輔助切削技術(shù)及研究進(jìn)展[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（8）：34-46.

[3] 何寧，李亮，趙威，蘇宇. 難加工材料高性能加工的冷卻潤(rùn)滑技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù)，2007（7）：46-48.

[4] 翟元盛，胡靜姝，李玉甫. 改善難加工材料可加工性方法的研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2014（12）：44-47.

收稿日期：（20150520）