0 引言

       鈦合（hé）金材料以其高強度（dù）、耐高溫、抗腐蝕、輕質等良好的綜合物理機械性能, 被廣泛（fàn）應用於航（háng）天、航空、航海、石油、造船等工（gōng）業領域。但與傳統金屬材料（liào）相比其機（jī）械加工性（xìng）能相對較（jiào）差,

       主要體現於如下幾個方麵[ 1] :

       ( 1) 切削（xuē）條件要求較高。鈦合（hé）金材料對切削速度非常敏感, 欠合理的切削參數選（xuǎn）擇會（huì）極大地（dì）縮減刀具的壽命。

       ( 2) 切削溫度高。鈦（tài）合金材料導（dǎo）熱係數小, 散熱條件差, 在切削過（guò）程中刀具與切屑間的摩擦係數大, 切削熱集中於刀刃附近, 因此（cǐ）, 會造（zào）成切屑與刀具接觸界（jiè）麵溫度過高（gāo）。

       ( 3) 彈性恢複大。鈦合金彈性模量小, 在切削力作用下產生較大的彈性恢複。對大徑（jìng）深孔加工來說, 由（yóu）於孔收縮量（liàng）較大,故易造成鑽頭刃帶與（yǔ）孔壁間產生摩擦, 嚴重時可能導致鑽（zuàn）頭“抱死” 。大回彈量將使刀具的實際切削後（hòu）角（jiǎo）減小, 加劇了後刀麵與加工表麵間（jiān）的摩擦。

       ( 4) 刀尖應力大。計算結果表明, 鈦合金材料的切削應力約是中碳鋼的1. 3 倍。由於刀尖附近應力集中, 所以刀尖或切削刃極（jí）易磨損。

       ( 5) 變形（xíng）係數小。加工鈦合金時（shí）, 經（jīng）常可以看（kàn）到形成（chéng）擠裂的切屑, 且刀具易（yì）磨損, 其主要原因是切屑沿（yán）著前刀麵流出的速度大於（yú）其他材料對（duì）前刀麵的摩擦。

       ( 6) 化學活性高。在一定切削溫度條件下, 鈦吸收大氣中的氧、氮、氫等元（yuán）素, 而形成氧化鈦、氮化（huà）鈦和氫化（huà）鈦薄膜, 使（shǐ）表麵層硬化和變脆, 降低了塑性, 加大了加工硬化程度, 從而加劇了刀（dāo）具磨損。

       ( 7) 粘結磨損及（jí）擴散磨損較突出。切（qiē）削（xuē）時（shí）由於鈦合金的親和力大, 而使摩擦表麵的接觸點（diǎn）容易相互粘結。在相對運動下,帶走刀具材料而造成粘結磨損。

       針對上述問題, 本文緊密結合鈦合金電纜端（duān）子零件的生產,著重研究和探討（tǎo）鈦（tài）合（hé）金材料的（de）數控加工工藝方（fāng）法和實用技術,其中包（bāo）括刀具幾何形狀的合理選擇、切削參數優化、以及采用普通高速鋼鑽頭和立銑刀加（jiā）工高精度大孔徑比鈦合金孔的加工（gōng）工（gōng）藝（yì）路（lù）線和措施。

       1 加工設備及刀具的選擇

       1. 1 加工設備

       因普通（tōng）機（jī）床的（de）加工過程是機械的、固定的, 主軸和切削進率一般是不可調的, 所以用其加工鈦合金（jīn）孔特別是孔（kǒng）徑比較大時,排屑不（bú）及時鑽屑經常被（bèi）粘結在鑽頭上, 增加摩（mó）擦則會引發過熱現象產生, 若加工設備或工藝係統剛性較差（chà）, 則會產生係統振動甚至折斷鑽頭。

       數（shù）控加工中（zhōng）心具有機床剛度強、加工適應範圍廣（guǎng）、精度高、加工過程可編程控製、操（cāo）作靈活主軸轉數和進給率隨時可調等特點, 若合理安排加工工藝, 正確選擇刃具幾何角度, 優化（huà）的切削參數和靈活的數（shù）控程序（xù）, 是鈦合金材料及其它特種材料加工的最（zuì）佳設備。

       2. 2 加工刀具

       從理論上講（jiǎng）, 加工鈦合金時, 應盡可能選擇與鈦合金化學親和力（lì）小（xiǎo）的刀具材料、合理的刀具幾何形狀, 切削刃後角要大於普通刀具且要保持鋒（fēng）利。和切削用量一般小於加工普通鋼材的用量, 同時, 增加加工係統（tǒng）的剛性, 配以高效的冷卻液。

       但是, 對於諸多非專（zhuān）業加工鈦合金企業（yè）, 在生產（chǎn）批量小和周期短（duǎn）等條件下, 訂購專用刀（dāo）具在經濟和時間上往往是不可行的（de）,隻能利用現有的通用刀具加（jiā）以修磨改進。

       2 加工工藝的分析

       本文通過在立（lì）式加工中心上加工TC4 鈦合金海底電纜接頭( 如圖1 所示（shì）)這一實例, 詳細地對比分析了（le）刀具和工藝在改進前後的加工效果和（hé）產生原因。電纜接頭型（xíng）腔（qiāng）部分前序已加工完成, 現主要分析圖2 中粗糙度為（wéi）1.6Lm、深69mm、φ28mm 孔的加工過程。

       2.1 沿用傳統鋼件加工工藝

       高速鋼刀具切削速度（dù）小於15m/ min, 進給量每切削刃小於0. 02mm, 加工工藝路線如下:

       ( 1) 采用直徑為（wéi）<2. 5mm 的高速鋼中心鑽（zuàn）, 加工方式使用G81 鑽孔固定（dìng）循（xún）環打中心孔。

       ( 2) 首先采用直徑<12mm 高（gāo）速鋼鑽（zuàn）頭鑽底孔, 用<20mm 鑽頭第一次擴孔, 然後用<27. 5mm 鑽頭進行第二次（cì）擴孔, 加工方式均采用加工深（shēn）孔固定循環G83 啄式（shì）鑽孔。

       ( 3) 采用<27. 8mm 單（dān）頭高速鋼鏜刀粗鏜, <28mm 單（dān）頭高速鋼鏜刀（dāo）精（jīng）鏜, 加工方式采用（yòng）鏜鉸孔（kǒng）固定循環（huán）G86。

       ( 4) 加工冷卻液為冷（lěng）卻機油。

       本加工中心控製係統FANUC 0- M。G81 為加工中心孔固（gù）定循, 指（zhǐ）令功（gōng）能: 鑽孔到設定深度（dù）; 鑽頭快（kuài）速提刀; 退出工件的上表麵一定高度。G83 為（wéi）鑽孔（kǒng）固定循環（huán）, 指令功能: 每鑽進一定深度（dù）; 鑽頭快速（sù）提刀; 退出工件的上表麵一定高度; 然後再（zài）快進回到原加工深度繼續加工。G86 為鏜、鉸孔固定循環, 指令功（gōng）能:以攻（gōng）進速度鏜孔到設定深度; 主（zhǔ）軸停轉; 快速（sù）提刀; 退出（chū）工件的上表麵一定高度; 主軸再轉（zhuǎn）。

       2.2 傳（chuán）統工藝加工效果及原因分（fèn）析

       ( 1) 鑽中心孔, 主軸轉速1500~ 1800 轉, 鑽孔深（shēn）度3mm, 加工方式G81 固（gù）定循環。加工效果: 加工（gōng）基本正常。

       原因分析: 加工孔較淺時加工所產（chǎn）生的（de）熱量很少, 對加工影響很小。

       ( 2) 直徑<12mm 高速鋼鑽頭鑽底孔, 主軸轉速400 轉, 鑽孔深度（dù）73mm, 加工方（fāng）式深孔固（gù）定循環G83, 用意減小用大直徑鑽頭鑽孔時的切削力。

       加工效果: 加（jiā）工孔不太深時情況基本正常, 加工孔較深時噪（zào）聲加大。

       原因分析: 因為鑽孔（kǒng）采用了G83 固（gù）定循環, 第一解決了因鈦合金（jīn）變形係數小易形成擠裂碎切（qiē）屑, 不（bú）容易沿著鑽頭的排屑槽自然排屑的問（wèn）題; 第二改善了（le）因切削鈦合金時摩擦係數大、導熱係數小、散熱條件差, 而造成的刀具過（guò）熱磨損加快的現象, 所以加工孔徑比較小（xiǎo）時（shí）加工基本正常, 當孔加工到較深時, 由於鈦合金彈性模量小（xiǎo）彈性恢複大的特性, 已（yǐ）加工的的孔麵與鑽頭（tóu）的刃帶（dài）發生摩擦產生噪聲。

       ( 3)<20mm 和<27. 5mm 高速鋼鑽頭擴孔, 鑽孔深度75mm, 主（zhǔ）軸轉速分別250 和180 轉, 加工方式仍采用G83 固定循環。用（yòng）意減小切削力。

       加工效果: 擴孔加（jiā）工過程中雖然還是采用G83 固定（dìng）循環（huán）, 但是（shì）加工中噪聲越來越大, 加工中心的扭（niǔ）矩表針來回大幅度擺動,切削力急劇增加, 並伴有振動（dòng）, 鑽頭磨損嚴重, 特別是切削刃在原底孔直徑處磨損更為（wéi）嚴重, 以至於無法正常加工。

       原因分析: ¹ 因鈦（tài）合金彈性模量小, 在切削力作用下產生較大的彈性恢複, 特別是加工大徑（jìng）孔時（shí）孔收（shōu）縮量較（jiào）大, 造成鑽頭刃（rèn）帶與孔壁（bì）間（jiān）產生摩擦, 所以產生了較大的噪聲（shēng）和（hé）切（qiē）削力, 甚至鑽（zuàn）頭與鈦合金有抱死的傾向( 扭矩表跳動、切削力突然加大) 。

       因為鈦合金化學（xué）活性高, 切削溫度升高的條件下, 鈦吸收大氣中的氧、氮、氫等元素而形成（chéng）氧化鈦、氮化鈦和氫化鈦薄膜, 使表麵層硬化、變脆、降低了塑性, 加大了加工硬化程度, 所以造成了（le）擴孔時鑽頭磨損, 特別是在原底孔直（zhí）徑處磨損更為嚴重的（de）現（xiàn）象。

       ( 4) 鏜孔<27. 8mm 單頭高速鋼鏜刀粗鏜,<28mm 單頭高（gāo）速鋼鏜刀精鏜, 主軸轉速在170~ 200 轉, 加（jiā）工方式G86 固定（dìng）循環。加工效果（guǒ）: 刀具磨損快, 孔的尺（chǐ）寸精度、光潔度都難（nán）於保證（zhèng）,且加工效率極（jí）低。

       原因分析: 鏜孔難（nán）於保證精度, 一是因為前（qián）序加工鈦合金化學性質造成的硬化, 二是因為前序鑽頭刃帶與孔壁間產生摩擦（cā）造成的加（jiā）工硬化, 導致刀具磨損加快。

       3 刀具的改進

       基於上述分析, 使用深孔鑽（zuàn）固定循環G83 指（zhǐ）令, 根據實際加工情況調整每次鑽削進給量（liàng）, 有效地解決（jué）了加工鈦合金的（de）鑽孔倒（dǎo）屑難（nán）和刀具過熱磨損加快的現象。但是鑽孔時仍（réng）存在噪（zào）聲大、切削力（lì）大且不穩定的問題。因此, 必須改進鑽頭（tóu）幾何角度。鏜孔難於保證加工質量, 改用自行研製的基於四刃硬質合金立銑刀的<28mm 鏜- 擴鉸刀。具體措施如（rú）下:

       ( 1) 修磨（mó）鑽頭。因（yīn）標準鑽頭的倒錐度比較小, 加工大孔（kǒng）時孔收縮量較大, 會造成鑽頭後麵刃帶與孔壁間產生摩擦, 因此首先對大徑鑽頭（tóu）的刃帶部分進（jìn）行修磨, 其方法是: 將標準鑽頭切削刃以外（wài）原有倒錐（zhuī）角度加大, 增加到標準鑽頭的35 倍以上（shàng）, < 27. 5mm 鑽頭倒錐為0. 7~ 1. 0 mm / 100 mm。為減（jiǎn）小切削力, 加大切削刃頂角角度, 鑽頭頂（dǐng）角為2Kr = 135b~ 140b。為減小軸向切削力, 將鑽頭的橫刃（rèn）部分修磨成S 形, 如（rú）圖3 所示。主切（qiē）削（xuē）刃修磨（mó）時跳動量需控製在（zài）0. 05mm 之內, 以免（miǎn）形成單刃切削。主切削刃後角應大於12b, 因為主（zhǔ）切削刃（rèn）與刃帶的（de）交（jiāo）點附近應力最（zuì）為集中, 且（qiě）冷（lěng）卻不好（hǎo）, 會引起鑽頭切削刃過熱導致退火（huǒ）, 造成刀具磨損, 所以將（jiāng）交點處用砂輪輕輕地磨出一個小的過（guò）渡圓弧r = 0. 5~ 1mm 左右, 這樣即可以防止尖點退火又可以減少尖點蹦刃。

       ( 2) 鏜孔（kǒng）改為（wéi）鏜- 擴- 鉸孔。因為單頭高（gāo）速鋼鏜刀無法保證鏜孔的（de）質量, 且效率極低。為了改（gǎi）變這一現象, 對四刃硬質合金立銑刀（dāo）進行了改造（zào）, 如圖4 所示。加工孔時, 立銑刀（dāo）的四個（gè）底（dǐ）刃相當於四刃鏜刀, 而立銑刀的四個立刃對孔又形成（chéng）了鉸孔, 從而即（jí）提高了加工孔的質量, 又提高了加工效率（lǜ）。特別應提出的是由於（yú）在切削力作用下鈦合金會產生較大的彈性恢複, 使刀具的實際（jì）切削後角減小, 進而導致後刀麵與加（jiā）工表麵間摩擦加（jiā）劇,切削力增大, 因此必須（xū）進行立刃後角修磨, 使其大於12b, 底（dǐ）刃後角大於10°。

       4 加工工藝的改（gǎi）進

       通過對鑽頭幾何角度的改進, 大大降低了加工時（shí）因鑽頭刃（rèn）帶與孔壁摩（mó）擦（cā）產生的噪（zào）聲, 切削力平穩。但還是伴有一定的噪聲, 擴（kuò）孔鑽（zuàn）頭在原底（dǐ）孔（kǒng）處仍存在嚴重磨損現象。經過多次反複實驗（yàn）, 去掉了<12mm 鑽底孔和<20mm 鑽頭（tóu）擴孔（kǒng）工序, 加大了中心孔的（de）直（zhí）徑和孔的深度, 將<27. 5mm 鑽頭的橫刃部分修磨成（chéng）S形, 減小了鑽頭橫（héng）刃, 增強了定心作用。直接用<27. 5mm 鑽頭鑽孔, 仍使用加工深孔固定循環（huán）G83 Z- 75. 0 R5. 0 Q2. 0, 大孔一次加工到（dào）尺寸。實（shí）驗結果表明: 加工效果非常好, 噪聲小, 且切削平穩, 鑽頭沒有明顯磨損, 效（xiào）率大大提高。

       使用自行改造的鏜- 擴- 鉸刀, 並且采用了（le）G86 Z- 80. 0R2. 0 F30 S200 鉸孔固定循環。特別要注意的是鏜- 擴- 鉸孔（kǒng）時, 提刀絕對不能以（yǐ）G00 的正常速度（dù）( 3m/ min) 快速提刀, 因為鈦合金彈性（xìng）恢（huī）複, 孔收縮量較大, 使刀（dāo）具受到較大的（de）徑向力作用,所以要將機床（chuáng）控製麵板上控製G00 實際（jì）運動速度的旋鈕, 調整到F 0( 機床內部設定一般為100~ 300mm/ min) 以（yǐ）這樣較慢的速度提刀, 確保（bǎo）安全、正常（cháng）加工。實驗結果: 加工效果非常好, 噪（zào）聲很小, 且切削平穩, 刀（dāo）具無磨損, 效率大大提高, 完全達到圖紙精度要求。

       改進後的加工工藝為:

       ( 1) 用高（gāo）速鋼中心（xīn）鑽(<5mm) 打中心孔（kǒng）鑽孔深度5mm。

       ( 2) 用<27. 5mm 高速鋼鑽頭（tóu）, 用（yòng）固定（dìng）循環G83 直（zhí）接鑽孔一次完（wán）成。

       ( 3) 用<28mm 四頭鏜- 擴- 鉸刀, 用固定循環G86 鏜- 擴- 鉸孔一次完成。

       5 優化（huà）切削參數

       利用加工中心的可編程性, 切削（xuē）進（jìn）給量和主軸轉數可隨時調整之特點, 首先（xiān）從（cóng）切削速度開始實驗。預先通（tōng）過計算（suàn）設定一個主軸轉數, 高速鋼鑽（zuàn）頭的切削速度V = 15m/ min, 每刃進（jìn）給量（liàng）f = 0. 02~ 0. 05mm/ r, 使用固定循環G83 Z- 80. 0 R5. 0 Q1. 0。實驗時主（zhǔ）要觀（guān）察噪聲、振動、切削力, 切削刃磨損等因素的變化情況。利用（yòng）G83 每（měi）次抬刀至工件表麵（miàn）之上時, 暫停程序, 主軸停轉, 觀察鑽頭切削刃的磨損情況, 如（rú）果切削情況不理想, 可以適當降低主轉（zhuǎn）速和切削進給量, 經過幾次調（diào）試達到最佳狀態。切削速度基本確定以後, 進（jìn）給量f 和G83 每次鑽進（jìn）量Q 值（zhí）可以同時調試, 這時的考核指標（biāo）是（shì）效率最高、磨損最小。通過（guò）若幹（gàn）孔的加工（gōng）實驗, 可尋找出（chū）一個比較理想的切削參數來。每刃進給量f = 0. 05~ 0. 1mm/ r, Q = 2~ 4mm, 觀察刀尖（jiān）有無過熱、退火現象, 有則適當減小Q 值。

       預先設定一轉數（shù）, 並通過計算和實驗（yàn）, 確定（dìng）鏜- 擴- 鉸刀切削參數。硬質合金刀具的切削（xuē）速度V = 22~ 25m/ min 左右, 每刃進給量f = 0. 02~ 0. 05mm/ r; 使用鏜（táng）鉸孔固定循環（huán）G86 Z-80. 0 R2. 0F20~ 40 。這（zhè）時考核指標是光潔（jié）度高、效率高、磨損小。鏜- 擴- 鉸孔時, 控製鈦（tài）合金孔的溫升不（bú）能（néng）過高（gāo）, 提刀（dāo）時將G00 控製旋（xuán）鈕調（diào）到F0 檔( 機床內部（bù）設定一般為（wéi）100~ 300mm/min) , 防止提刀過快給加（jiā）工帶來危險。

       優化加工切削參數如（rú）下:

       ( 1) φ5. 0 中心鑽, V = 12m/ min; F = 20mm/ min。

       ( 2) φ27. 5mm 鑽（zuàn）頭, V = 12m/ mi; f = 0. 06mm/ r, G83 Z- 75. 0R5. 0 Q2. 0 F20 S150。

       ( 3) φ28mm 鏜- 擴- 鉸刀, V = 17. 5m/ min; f = 0. 04mm/ r, G86 Z- 80. 0, R2. 0 F30 S200。

       6 結論

       ( 1) 了解鈦合金材（cái）料的加工特性, 特別要注意（yì）引（yǐn）言中提到的鈦合金特性( 1)、( 2) 、( 3)、( 6) 。

       ( 2) 正確選用刀（dāo）具的幾何角度, 加大刀具後角是關鍵。克服（fú）因鈦合（hé）金回彈使刀具切削的實（shí）際（jì）後角（jiǎo）減小, 加劇後刀（dāo）麵與加工表麵間的摩擦這一（yī）現象, 可以提（tí）高刀具（jù）耐用度。大直徑鑽頭要加大倒錐角度。

       ( 3) 合理（lǐ）安排加工工藝（yì）, 盡量減少（shǎo）工（gōng）序, 加工餘量不應過小, 否則, 加工硬化（huà）會給下一道工序造成加工困難。

       ( 4) 正確選擇加工中切削用（yòng）量, 切削速度是影響刀具壽命的最關鍵因素, 切削刃過熱而引起磨損是刀具磨損中的主要因素, 所以使用普通刀具盡量采用低速切削。

       ( 5) 切削加工時冷卻要充分, 切削熱是（shì）加工（gōng）鈦合金中需要注意的重要問題。

       以（yǐ）上經驗（yàn）具有普遍意義, 在普通（tōng）加工機床（chuáng）上也具有參考價值。在加工中心、數控機床上加工鈦合金應充分發揮（huī）數控機床的特性, 選（xuǎn）擇最（zuì）佳切削用量, 使加工效率（lǜ）達到最高。