0 引言

       鈦合（hé）金材（cái）料以其高強度、耐高溫、抗腐蝕、輕質等（děng）良好的綜合物理機械性（xìng）能, 被（bèi）廣泛應用（yòng）於航天、航空、航（háng）海、石油、造船等工業領域。但與傳統金屬材料相比其機械加工性能相對較差,

       主要體現於如下幾個方麵[ 1] :

       ( 1) 切削條（tiáo）件（jiàn）要求較高。鈦合金材料對（duì）切削速（sù）度非常敏感, 欠合理的切削參數選擇會極大地縮減刀具的壽命。

       ( 2) 切削溫度高。鈦合金材料導熱係數小, 散熱條件差, 在切削過程中刀具與切屑間的摩（mó）擦係數大, 切削熱集中於刀刃（rèn）附近, 因此, 會造成切屑與刀具接觸界麵溫（wēn）度（dù）過高。

       ( 3) 彈性（xìng）恢（huī）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。對大徑深孔加工來說, 由於孔收縮量較大,故易造成鑽頭刃帶與孔壁間產生（shēng）摩擦, 嚴重時可能導致鑽頭“抱死” 。大回（huí）彈量將使刀具的實際切削後角減小, 加劇了後刀麵與加工表（biǎo）麵間的摩擦。

       ( 4) 刀尖應力大。計算結果表明（míng）, 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（yǐ）刀尖或（huò）切削（xuē）刃極易磨損。

       ( 5) 變形係數小。加工鈦合金時, 經常可以看到形成擠裂的切屑, 且刀具易磨損, 其主要原因是切屑沿著前刀麵流出的速度大於其他材料對前刀麵的摩擦。

       ( 6) 化學活性高。在一定切削溫（wēn）度條件下, 鈦吸收大氣（qì）中的氧（yǎng）、氮、氫等元素, 而形成氧化鈦（tài）、氮化鈦和氫化鈦薄膜, 使表麵（miàn）層（céng）硬化（huà）和變脆（cuì）, 降低了塑性（xìng）, 加大了加工硬化程（chéng）度, 從而加劇了刀具磨損。

       ( 7) 粘結磨損及擴散磨損較突出（chū）。切削時由於鈦合金的親和力大（dà）, 而使摩擦表（biǎo）麵的接觸點容（róng）易相互粘結。在（zài）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（hé）金電纜端子零件的生產,著重（chóng）研究和探討鈦合金材料的（de）數控加工工藝方法和實（shí）用技術,其中包括刀具幾何形狀的合理選擇、切削參（cān）數優化（huà）、以及采用（yòng）普通高（gāo）速鋼鑽頭和立銑刀加工高精度大孔徑比鈦合金孔的加工（gōng）工藝路線和措施。

       1 加工設備及刀具的選擇

       1. 1 加工（gōng）設備

       因普通機床的加工（gōng）過程是（shì）機械的、固定（dìng）的, 主軸和（hé）切削進率一般是不可（kě）調的（de）, 所以用其加工（gōng）鈦合金（jīn）孔特別是孔徑比較大時,排屑不及時鑽屑經常被（bèi）粘結在鑽（zuàn）頭上, 增加摩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, 則會產生係統振動甚（shèn）至折斷鑽頭（tóu）。

       數控加工中心具有機床剛度強、加工適應範圍廣、精度高、加工過程可編（biān）程控製、操作（zuò）靈活主軸轉數和進給率隨（suí）時可調等特點, 若合理安（ān）排加工工藝, 正確選（xuǎn）擇（zé）刃具幾（jǐ）何角度, 優化的切削參數和靈活的數（shù）控程（chéng）序（xù）, 是鈦合金材料及其它特種材料加工的最佳設備。

       2. 2 加（jiā）工刀具

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

       但是（shì）, 對於諸多非專業加工鈦合金企業, 在生（shēng）產批量小和周期短等（děng）條件下, 訂購專用刀具（jù）在經濟和時間上往往（wǎng）是不可行的,隻能利用現有的通用刀具加以修磨（mó）改進。

       2 加工工藝（yì）的分析

       本文通過在立（lì）式加（jiā）工中心上加工TC4 鈦合金海底電纜接頭( 如圖1 所示)這一實例, 詳（xiáng）細地對比分析了刀具和工（gōng）藝在改進前後的（de）加工（gōng）效果和產生原因。電纜接頭（tóu）型（xíng）腔部分前序已（yǐ）加工（gōng）完成, 現主要分（fèn）析（xī）圖2 中粗糙度為1.6Lm、深69mm、φ28mm 孔的加工過程。

       2.1 沿用傳（chuán）統鋼件加工工藝

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

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

       ( 2) 首先采用直徑<12mm 高速鋼鑽頭鑽底孔, 用<20mm 鑽頭第一次擴孔, 然後用<27. 5mm 鑽頭進行第二次擴孔, 加工方式均采用加工深孔固定循環G83 啄（zhuó）式鑽孔（kǒng）。

       ( 3) 采用<27. 8mm 單頭高速鋼鏜刀粗鏜, <28mm 單頭高速鋼鏜刀精鏜, 加工方式采用鏜鉸孔固定循環G86。

       ( 4) 加工冷卻液為冷卻機油。

       本加（jiā）工中（zhōng）心控製係統（tǒng）FANUC 0- M。G81 為加工中（zhōng）心孔固定循, 指令功能: 鑽孔到設定深度; 鑽頭快速提刀; 退出工件的上表麵一定高（gāo）度。G83 為鑽孔固定循（xún）環, 指令（lìng）功（gōng）能: 每鑽進一定深度; 鑽頭快速提刀（dāo）; 退出工件的上表麵一（yī）定高度（dù）; 然後再快進（jìn）回到原加工深（shēn）度繼續加工。G86 為鏜（táng）、鉸孔固定循環, 指令功能:以攻進（jìn）速度鏜孔到設定深度; 主軸停轉; 快速提（tí）刀; 退出工件的上表麵一定高度; 主軸再轉。

       2.2 傳統工藝加工效果及原因分析

       ( 1) 鑽中心孔, 主軸轉速1500~ 1800 轉, 鑽孔（kǒng）深度3mm, 加工方式G81 固定循環。加工效果: 加工基本正常。

       原因分析: 加工（gōng）孔較淺時（shí）加工所產生的熱量很少, 對加工影響很小。

       ( 2) 直（zhí）徑<12mm 高速鋼鑽（zuàn）頭鑽底孔, 主（zhǔ）軸轉（zhuǎn）速400 轉, 鑽孔深度73mm, 加工方式（shì）深孔（kǒng）固定循環（huán）G83, 用（yòng）意減小用大直徑鑽頭鑽孔時的切削力。

       加工效果: 加工孔（kǒng）不太深時情況基本正（zhèng）常, 加工孔較深時噪聲加大。

       原因分析: 因為鑽孔采用了G83 固定循環（huán）, 第一解決了因（yīn）鈦合金變形係數（shù）小易形成擠裂碎切屑, 不容易沿著鑽頭的排屑槽自然排屑（xiè）的問題; 第二改善了因切削鈦合金時摩擦係數大、導熱（rè）係數（shù）小、散熱條件差, 而造成的刀具過熱磨損加快的現象, 所以加工孔（kǒng）徑比（bǐ）較小時加工基本正常, 當孔加工到較深時, 由於鈦合金彈性模量小（xiǎo）彈性恢複（fù）大的特性, 已加工的（de）的孔麵與鑽頭的（de）刃帶發生摩擦產生噪聲。

       ( 3)<20mm 和<27. 5mm 高速鋼鑽頭擴孔, 鑽孔（kǒng）深度（dù）75mm, 主軸（zhóu）轉（zhuǎn）速分別250 和180 轉, 加工方式（shì）仍采用G83 固定循環。用（yòng）意減小切削力。

       加（jiā）工效果: 擴孔加工過（guò）程中（zhōng）雖然還是采用G83 固（gù）定循環, 但是加工中噪聲越（yuè）來越大, 加工中心的扭矩表針來回大幅度擺動,切削力（lì）急劇增加, 並伴有振動, 鑽頭磨損嚴重（chóng）, 特別是切削刃在原底孔直徑處（chù）磨（mó）損更為（wéi）嚴重（chóng）, 以至於無法正常加工。

       原因（yīn）分析: ¹ 因鈦合金彈性模量小, 在切削力作用下產生較大的彈性恢複, 特別是加工大徑孔時孔收縮量較大, 造成鑽頭刃帶與孔壁間產生摩擦, 所以產生了較大的噪聲和切（qiē）削力, 甚至鑽頭與（yǔ）鈦合金有抱死的傾向( 扭矩表跳動、切削力突然（rán）加（jiā）大) 。

       因為鈦（tài）合金化學活性高, 切削溫度升高的條件下, 鈦吸收大氣中的氧、氮、氫等元素而形成氧化（huà）鈦、氮化鈦和氫（qīng）化鈦薄膜, 使表麵層（céng）硬化、變脆、降低了塑性（xìng）, 加大了加工硬化程度, 所以造成了擴孔時鑽頭（tóu）磨損, 特別是在原底孔直徑處磨損更為嚴重的現象。

       ( 4) 鏜孔<27. 8mm 單（dān）頭高速鋼鏜刀粗鏜（táng）,<28mm 單頭高速鋼鏜刀精鏜, 主軸轉速在170~ 200 轉, 加工方式G86 固定循環。加工效果: 刀具磨（mó）損快, 孔的尺寸精度（dù）、光潔度都難於保證,且加工效率極低。

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

       3 刀具的（de）改進

       基於上述分析, 使用（yòng）深孔鑽固定循環G83 指令, 根據實際加工情況調整（zhěng）每次鑽削進給量, 有效（xiào）地解（jiě）決了加工鈦合（hé）金的鑽（zuàn）孔倒屑難和刀具（jù）過（guò）熱磨損加快的現象（xiàng）。但是鑽孔時仍存在噪聲大、切（qiē）削（xuē）力（lì）大且不（bú）穩定的問題。因此, 必須改進鑽頭幾何角度。鏜孔難於保證加工（gōng）質量, 改用自行研製的基於四刃硬質（zhì）合金立銑刀的<28mm 鏜（táng）- 擴鉸刀。具體措施如下:

       ( 1) 修磨鑽頭。因標準鑽頭的倒錐度比較小, 加工大孔時孔收縮量較大, 會造成鑽頭後麵（miàn）刃帶與孔壁間產生摩擦（cā）, 因此首先對大徑鑽頭的刃帶部分進行修磨（mó）, 其方法是: 將標準鑽（zuàn）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（yǐ）上, < 27. 5mm 鑽頭倒錐為0. 7~ 1. 0 mm / 100 mm。為減小切削（xuē）力, 加大切削刃頂角角度, 鑽頭頂角（jiǎo）為2Kr = 135b~ 140b。為減小軸（zhóu）向切削力, 將鑽頭（tóu）的橫刃（rèn）部分修磨成S 形, 如圖3 所示。主切削刃修磨時跳動量需控（kòng）製在0. 05mm 之內, 以免形成單刃切削。主切削刃後角應（yīng）大（dà）於12b, 因為主切削刃與刃帶的交點附近應力最為集中, 且冷卻不好, 會引起鑽頭切（qiē）削刃過（guò）熱導（dǎo）致退火, 造成刀具磨損, 所以將交點處用砂輪輕輕地磨出一個小的過渡圓弧r = 0. 5~ 1mm 左右, 這樣即（jí）可（kě）以防止尖點退火又可以減少尖點蹦刃。

       ( 2) 鏜（táng）孔改為鏜- 擴- 鉸孔。因為單頭高速鋼鏜刀無（wú）法保證鏜孔的質量（liàng）, 且效率極（jí）低。為了改變這一現象, 對四刃硬質合金立（lì）銑（xǐ）刀進行了改造, 如圖（tú）4 所示。加工孔時, 立銑刀的四個（gè）底刃相當於四刃鏜刀, 而立銑刀的四個立刃對孔又形成了鉸孔, 從而即提（tí）高了加工孔的質量, 又提高了加工效率。特別（bié）應提出的是由於在切削力作用下鈦合金會產生較大的彈性（xìng）恢複, 使刀具的實際切削後角減小, 進而導致（zhì）後刀麵與加工表麵間摩擦加劇,切削力（lì）增大（dà）, 因此必須進行立刃（rèn）後角修磨, 使其大於12b, 底刃後角大於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（dī）了加工時因鑽頭刃帶與孔壁摩擦（cā）產生的噪聲, 切削力平穩。但還是伴（bàn）有一定的（de）噪聲, 擴孔鑽頭在原底孔處仍存在嚴重磨損現象。經過多次（cì）反複實驗, 去掉了<12mm 鑽底孔和<20mm 鑽頭擴孔工序, 加大了中心孔的直徑和孔的（de）深度, 將<27. 5mm 鑽頭的橫刃部分修磨（mó）成S形, 減小了鑽頭（tóu）橫刃, 增強了定心作用。直接（jiē）用<27. 5mm 鑽頭（tóu）鑽孔, 仍使用（yòng）加工深孔固定（dìng）循環G83 Z- 75. 0 R5. 0 Q2. 0, 大孔一次（cì）加工到尺寸。實驗（yàn）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, 效率大大提高。

       使用自行改造的鏜- 擴- 鉸刀, 並且采用了G86 Z- 80. 0R2. 0 F30 S200 鉸孔固定循環。特別要注意的是鏜- 擴- 鉸孔時, 提刀絕對不能以G00 的（de）正常速度( 3m/ min) 快速提刀, 因為鈦合金彈性恢複, 孔收縮量較大, 使（shǐ）刀（dāo）具受到較大（dà）的（de）徑向力作用,所以要將機床控製麵板上控（kòng）製G00 實際運動速度的旋鈕, 調整到F 0( 機床內部設定一般為100~ 300mm/ min) 以這樣較慢的（de）速度提刀, 確保安全、正常加工。實驗結果: 加工效果非常好, 噪聲很小, 且切削平穩, 刀具無（wú）磨損, 效率大大提高（gāo）, 完全達到圖紙精度要（yào）求。

       改進後的加工工藝為:

       ( 1) 用高速（sù）鋼中心鑽(<5mm) 打中心孔鑽孔深度5mm。

       ( 2) 用<27. 5mm 高速鋼鑽頭, 用固定循環（huán）G83 直接鑽孔一次（cì）完成。

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

       5 優化切削參數

       利用加工中心的可編程性, 切削（xuē）進給量和主軸轉數可（kě）隨時調整（zhěng）之特點, 首先從切削速度開始實驗。預先通過計算設（shè）定一個主軸轉（zhuǎn）數, 高速鋼鑽頭的切削速度V = 15m/ min, 每刃進給量f = 0. 02~ 0. 05mm/ r, 使用固定循環G83 Z- 80. 0 R5. 0 Q1. 0。實驗時主要觀（guān）察噪聲、振動、切削力, 切削刃磨損（sǔn）等因素的（de）變化情況。利用G83 每次抬刀至工（gōng）件表麵之上時, 暫停程序, 主軸停轉, 觀察鑽頭切削刃的（de）磨損情況, 如（rú）果切削情況（kuàng）不理想, 可（kě）以適當降低主（zhǔ）轉速和（hé）切削進給量, 經過幾次調試達到最佳狀態。切削速度基本確定以後, 進給量f 和G83 每次鑽進量Q 值可以同時（shí）調試（shì）, 這時的考核指標（biāo）是效率最高、磨損最小。通過若幹孔的（de）加工實驗（yàn）, 可尋找出一個（gè）比較理（lǐ）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, 確定鏜- 擴- 鉸刀切削參數。硬質合金刀具的切削速度V = 22~ 25m/ min 左右, 每刃進給量f = 0. 02~ 0. 05mm/ r; 使用鏜鉸孔固定循環G86 Z-80. 0 R2. 0F20~ 40 。這時考核指標是光潔度高、效率高、磨（mó）損小。鏜- 擴（kuò）- 鉸（jiǎo）孔時, 控製鈦合金孔的（de）溫升不能過高, 提刀時將G00 控製旋鈕調到F0 檔( 機床內部（bù）設定一般為100~ 300mm/min) , 防止（zhǐ）提刀過快給加工帶來危險。

       優化加工切削參數如下:

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

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

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

       6 結論

       ( 1) 了解鈦合金材料的加工特性, 特別要注意引言（yán）中（zhōng）提到的鈦合金特性( 1)、( 2) 、( 3)、( 6) 。

       ( 2) 正確選用刀具（jù）的幾何角度, 加大刀具後（hòu）角是關鍵。克服因鈦合金回彈使刀具切削的實際後角減小, 加劇後刀麵與（yǔ）加工表（biǎo）麵（miàn）間的摩（mó）擦這一現象, 可以提高刀具耐用度。大直徑鑽頭要加大倒錐角度（dù）。

       ( 3) 合理安排加工工藝, 盡量減少工序, 加工（gōng）餘量（liàng）不應過小, 否則, 加（jiā）工硬化會給下一道（dào）工（gōng）序造成加工困難。

       ( 4) 正確選擇（zé）加（jiā）工中切削用量, 切削速度是（shì）影響刀具壽命（mìng）的最關鍵因素, 切削刃（rèn）過熱（rè）而引起磨損（sǔn）是刀（dāo）具磨損中的主要因素, 所以（yǐ）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, 切削熱是加工鈦合金中需要注意（yì）的重要問題。

       以上經驗具有普遍意義, 在普通加工機床上也具有參考價值。在加工中心、數控機床上加工鈦合金應充分發揮數控機床的特（tè）性, 選（xuǎn）擇最佳切削用量, 使加工效（xiào）率達到最高。