發布日期：2016-11-16 10:57:26
在航空航天業中，許多鈦合金零件具有開口槽結構，由整體毛坯切削去除較多余量而成，因比強度較高，這類零件在航空航天領域得到了廣泛應用。傳統開槽一般采用層銑加工方法，當加工較深的槽腔時，需要較長的銑刀懸伸。由于層銑加工時徑向切削力較大，長懸伸銑刀切削極易產生振動，加劇刀具磨損，降低加工質量。因此，為降低切削振動，不得不大幅減小銑削深度和進給速度，導致加工效率很低。
插銑通過銑刀的軸向進給進行大切除量加工，可以快速去除切削余量。田靜云等通過對插銑的實驗研究建立了插銑切削的力學模型；李湉等通過對整體葉輪粗加工的研究表明，與傳統層銑相比，插銑過程中的徑向銑削力減小50％以上，加工效率增加近一倍。
圖1 插銑示意圖
本文通過試驗研究了插銑加工鈦合金深槽的表面形貌、切屑形態、刀具磨損及加工效率等，為插銑工藝在深槽加工中的應用提供參考。
1 插銑開槽工藝及刀具
如圖1所示，插銑加工時，銑刀沿軸向從工件上表面向下進給切削，到達底部后完成切削，向上抬起退刀至工件上表面的初始進刀位置，完成一次插銑加工過程。然后，銑刀沿槽腔縱向移動到下一位置，再重復前述的插銑加工過程，完成下一次插銑加工，此時的縱向移動距離為插銑的銑削寬度ae。依此方法，銑刀沿槽腔縱向從頭至尾完成插銑加工后，再沿槽腔橫向移動一個步距S，重復沿槽腔縱向的插銑加工。反復進行上述加工過程，直至完成整個槽腔的插銑加工。
插銑加工需選用小主偏角銑刀，與普通層銑刀具相比，這種刀具在插銑加工時可把大部分切削力引向銑刀軸向，產生的徑向力較小(見圖2)。即使選用較大懸伸銑刀進行加工，仍可保持切削過程的穩定，為深槽的高效加工提供了可能。
圖2 插銑刀與層銑刀產生的切削力
2 試驗條件
工件材料：TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金屬于α+β鈦合金，力學性能見表1。如圖3所示，開口槽尺寸49mm×190mm×95mm，是窄而深的槽腔。
圖3 加工零件主要尺寸
圖4 CoroMill 210銑刀刀體(上)、刀片及接桿(下)
插銑刀具選用山特維克可樂滿CoroMill 210銑刀，刀體型號R210-042C4-09H，直徑42mm。由于槽腔較深，在開槽切削時需配裝加長接桿，接桿型號C5-391.02-40 065A。刀片型號R210-09 04 14E-PM，牌號S30T，刀片端刃長9.5mm。銑刀刀體及接桿實物如圖4所示。CoroMill 210銑刀工作時主偏角κr=10°，切削力主要被引向軸向，徑向力較小，可大幅減小長懸伸銑刀的切削振動。
加工設備：南通機床廠生產的3180龍門銑床。
測量裝置：選用VHX-1000C型超景深三維顯微系統觀測刀具前刀面和后刀面的磨損形貌。
3 試驗方案
試驗采用往復走刀路線，開槽起步沿著槽縱向走刀，回程再切削槽寬方向上的余量。起步第一列開槽寬度為滿切寬(即銑刀直徑)42mm，由槽寬49mm可知，回程切寬為余量7mm。由圖1可知，試驗中銑刀沿槽腔縱向往返移動各一次，且往返兩列走刀路線之間的距離(即步距S)為完成第一列插銑開槽后槽腔側壁的余量厚度7mm。由于刀具中心無切削刃，為避免撞刀，插銑時銑削寬度不能超過刀片的端刃長度，試驗中銑削寬度選為6mm。綜合考慮機床的功率和鈦合金的切削性能，選擇切削速度為40m/min，每齒進給量為0.15mm/min。切削參數如表2所示。
加工編程時需要注意，每次插銑結束時，在抬刀前應使刀具離開側壁約1mm距離，防止退刀時的二次切削，加劇刀具磨損。插銑TC4深槽試驗中，采用壓力較高的大流量冷卻液對切削區冷卻，可使切削過程中產生的大量切屑順利排出。
4 試驗結果與分析
插銑切削過程中產生少量由切削液汽化形成的煙霧(見圖5)，表明切削區溫度較高。切削區在大流量切削液沖刷下排屑順暢，整個過程平穩。
(1)已加工表面形貌
插銑加工后TC4鈦合金槽腔如圖6所示。槽腔表面粗糙，側壁刀痕明顯，每隔6mm形成一個殘留棱，棱高最大值為0.5mm。槽腔底部表面也有明顯的刀痕。與層銑相比，插銑已加工表面粗糙，需進行后續精加工。
圖5 插銑加工TC4深槽
圖6 插銑加工零件表面形貌
(2)切屑形態
插銑加工中銑刀的端面刃為主切削刃，切削過程中銑刀沿其軸向的進給速度vf決定插銑加工的每齒進給量。與普通層銑類似，插銑切屑的大小由銑削寬度、每齒進給量等切削參數及銑刀直徑、主偏角等銑刀幾何參數共同決定（見圖7a）。切屑寬度由銑削寬度和銑刀主偏角決定，切屑厚度由每齒進給量決定，切屑長度由銑削寬度和銑刀直徑決定。插銑的切屑向外螺旋卷曲，切屑頭部較窄，中部變寬，切屑尾部又逐漸變得很窄，單個切屑一般可形成兩個螺旋（見圖7b）。切屑尾部由寬逐漸變窄，表明銑刀在切出過程中承受載荷逐漸降低，刀片切出工件瞬間承受的拉應力也大幅降低。根據切屑形態可知，此時插銑切削狀態有利于降低刀具的磨損，提高刀具使用壽命。
圖7 切屑形成機理及切屑
(3)刀具磨損情況
圖8為插銑加工后銑刀的磨損形貌。插銑加工中銑刀的主切削刃為端面刃，因此刀具磨損主要集中在銑刀的端面刃附近。圖8a顯示，磨損刀具的前刀面沒有出現明顯的月牙洼形態，前刀面的磨損區域非常靠近主切削刃，且微崩刃、溝槽磨損為其主要磨損形態；圖8b顯示，后刀面磨損帶沿主切削刃分布，范圍較大，但寬度較窄，后刀面磨損寬度VB約為0.145mm。磨損形式以微崩刃磨損為主。圖8中顯示刃口多處出現微崩刃，這是由于插銑過程中需要多次的進刀和退刀，進刀過程中會有較大的沖擊力，加劇了刃口微崩刃的發生。
(a)前刀面磨損形貌;(b)后刀面磨損形貌
圖8 刀具磨損形貌100×(v=40m/min、ae=6mm、fz=0.15mm/z、s=7mm、L=6.46m；
(4)切削時間對比
試驗測得插銑一次完整的進刀需用時35s，整個開槽過程需68次進刀，用時合計39.7min。
傳統層銑選用可樂滿CoroMill390(刀具直徑42mm，主偏角90°)銑刀，切削速度50m/min，每齒進給量0.15mm/z。為避免刀具受徑向力過大產生切削振動，切削深度不宜過大，推薦值為2mm；槽寬為49mm，顯然層銑加工開槽首刀為滿切寬銑削，即42mm；第2刀銑削寬度為剩余的7mm。層銑開槽的切削參數如表3所示。
圖9 插銑與層銑切削時間對比
在此參數下層銑，共需切削48層，包括刀具空行程時間共為 82.5min。 如圖9所示，插銑比層銑時間減少了約42.8min，切削效率提高了51.9%。在鈦合金深槽的開槽加工中插銑的切削效率更高。
小結
通過試驗對TC4鈦合金深槽的插銑開槽進行研究，得到以下結論：
插銑加工表面粗糙度較大，一般需要進行后續精加工；
插銑刀具磨損主要發生在刀片的端面刃，磨損形態以微崩刃、溝槽磨損為主；
插銑在進行深槽開槽粗加工時切削效率明顯高于普通層銑。
綜上所述，插銑加工槽腔表面粗糙，一般還需進行二次精加工。在淺槽加工時，效率與傳統層銑相比沒有明顯優勢，因此插銑不是淺槽的首選開槽方法；當層銑加工深槽極易引發切削振動，導致刀具壽命、銑削效率和加工質量大幅降低時，可采用插銑取代傳統層銑，大幅提高切削效率。