【基于鈦合金材料的高效切削加工應(yīng)用研究7000字（論文）】

XXII第三章影響鈦合金銑加工的因素3.1刀具材料的選擇原則選用刀具材料應(yīng)滿足下列要求：1)足夠的硬度和耐磨性。由于鈦合金的加工硬化嚴(yán)重，加工區(qū)溫度高，對(duì)刀具消耗和磨損非常嚴(yán)重，因此刀具需要有足夠的硬度和耐磨性才能對(duì)加工區(qū)材料進(jìn)行塑性變形和分離。2)足夠的強(qiáng)度和韌性。由于鈦合金比強(qiáng)度高，綜合力學(xué)性能強(qiáng)，因此加工鈦合金的刀具需要有更好的強(qiáng)度和韌性，才不會(huì)發(fā)生崩刃、斷刀問題。4)刀具材料表面的化學(xué)活性低。由于鈦合金化學(xué)活性高，因此在選擇刀具材料時(shí)要避免與鈦合金容易發(fā)生溶敷、粘連和擴(kuò)散的合金，造成粘刀、燒刀現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具提前失效[7]。3.2加工方法控制合理的選用刀具和優(yōu)化的加工工藝方法，是提高加工效率、保證加工質(zhì)量及延長刀具壽命的有效手段，特別是在加工難加工材料時(shí)顯得尤為重要。1、選用合理的加工刀具。鑒于鈦合金材料不是很高的硬度（HRC28~33）、強(qiáng)度高以及化學(xué)親和力大的特性，在選擇加工刀具時(shí)，刀具材料一般選擇鎢鈷類硬質(zhì)合金，為保證加工中盡量小的切削力，選擇偏大的刀具前角和螺旋角，一般選用45°~65°，刀具涂層要選用化學(xué)活性低且不含Ti的材料，避免鈦合金在加工時(shí)在表面形成硬化層。2、充分的冷卻。在切削常規(guī)材料時(shí)，切屑會(huì)帶走大概70%的切削熱，而切削鈦合金材料時(shí)，由于鈦合金材料導(dǎo)熱性差，切屑只會(huì)帶走少量的切削熱，切削熱大部分聚集在加工部位，所以，要選用有充足冷卻效果切削液或冷卻措施。3、優(yōu)化的銑削策略。在銑削加工鈦合金材料時(shí)，優(yōu)化合理的銑削策略可以有效減小刀具的切削力，達(dá)到降低切削溫度的目的，選擇加工策略時(shí)，可以根據(jù)刀具刃長適當(dāng)增加切削深度，使用刀具徑向分層的加工方式，例如：擺線加工、動(dòng)態(tài)銑削、“旋風(fēng)銑”等，在刀具切削過程中通過控制刀具路徑控制刀具的加工包角，盡量使刀具的加工包角小，增加每個(gè)齒的冷卻時(shí)間，有效利用刀具刃長，既能提高加工效率，又能控制加工溫度。4、合理的切削用量。根據(jù)鈦合金材料的切削加工特性，加工時(shí)，切削線速度越高，切削效率越高，切削溫度也越高，刀具磨損越快；相反，切削線速度越低，切削效率越低，切削溫度也越低，刀具磨損越慢，因此，選擇合理的切削用量是保證加工效率，延長刀具壽命的有效手段，加工鈦合金時(shí)，線速度一般選用30~70m/min，每齒進(jìn)給量一般選用0.1~0.3mm/z。5、保證加工中斷屑，也是控制溫升的有效途徑。一般在金屬加工中大量的切削熱產(chǎn)生在切屑上，有效地?cái)嘈紩?huì)使加工中產(chǎn)生的大量切削熱被切屑帶走。通常情況下，在加工中不希望有長的切屑產(chǎn)生。對(duì)于難加工材料的加工更應(yīng)該注意，特別是對(duì)于粗加工工序，在整個(gè)加工系統(tǒng)剛性允許的情況下，應(yīng)盡量使其在整個(gè)加工過程中產(chǎn)生斷屑，盡量使用逆銑方式，是形成的切屑有厚變薄，并且切屑形狀為“9”字形、“6”字形或“C”字形。[9]第四章切削優(yōu)化方案及試驗(yàn)4.1切削優(yōu)化方案的確定本文以某端框零件（如圖3-1所示）為對(duì)象研究鈦合金的切削工藝優(yōu)化方法。該零件屬于鈦合金框段類零件，零件材料為BT20，鑄造鈦合金零件，零件外形為圓形，零件直徑Φ600，中間部分設(shè)計(jì)多處減輕槽，由于零件外形增加了支耳，內(nèi)形非正圓結(jié)構(gòu)，因此內(nèi)外形無法使用相對(duì)加工效率高的車削加工方式，只能采用銑削進(jìn)行加工，加工難度較大。齊德新等人研究表明，TB20銑削加工刀具磨損嚴(yán)重，包括月牙洼磨損、后刀面磨損、邊界磨損和溝紋磨損等多種磨損機(jī)制并存，控制切削區(qū)溫度和冷作硬化現(xiàn)象是提高TB20切削加工刀具耐用度的關(guān)鍵點(diǎn)。圖3-1某端框零件機(jī)構(gòu)示意圖該端框零件主要加工部位為零件內(nèi)外形和內(nèi)腔減輕槽，也是加工過程中占用時(shí)間最多的部位，根據(jù)零件的特征，原加工方案選擇了內(nèi)外形使用Φ25硬質(zhì)合金鑲齒刀具粗加工，Φ20整體硬質(zhì)合金立銑刀精加工；內(nèi)腔減輕槽使用Φ16、Φ10整體硬質(zhì)合金立銑刀和球頭刀進(jìn)行粗精加工。主要部位切削深度基本控制在4~5mm,該零件整體加工時(shí)間約50小時(shí)，因此即使每天正常倒班加工上滿16小時(shí)，在加上零件裝夾，刀具更換時(shí)間，最少也需要3天時(shí)間才能完成一件零件的加工。由于零件數(shù)量較多，如果不更改加工方式，將無法按時(shí)完成零件的配套生產(chǎn)。時(shí)不我待，為提高零件加工效率，縮短加工時(shí)間，必須對(duì)加工方法及加工刀具進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，從而達(dá)到贈(zèng)壽提效的目的。以下為零件優(yōu)化前加工方案：圖4-1外形優(yōu)化前加工刀軌圖4-2內(nèi)形優(yōu)化前加工刀軌圖4-3內(nèi)腔減輕槽優(yōu)化前加工刀軌表4-1零件優(yōu)化前主要刀具清單類型品牌直徑Φ(mm)圓角R(mm)刃長L1(mm)壁空L2(mm)總長L(mm)齒數(shù)Z(個(gè))整硬立銑刀沃爾夫16540551004整硬立銑刀沃爾夫16040/1004整硬立銑刀HD1002555904續(xù)表4-1類型品牌直徑Φ(mm)圓角R(mm)刃長L1(mm)壁空L2(mm)總長L(mm)齒數(shù)Z(個(gè))整硬球頭刀HD1052555904整硬立銑刀沃爾夫200451101504鑲齒立銑刀山特維克25017/1702表4-2零件優(yōu)化前加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)程序名稱加工部位刀具切深ap（mm）切寬（mm）轉(zhuǎn)速S（rpm/min）進(jìn)給F（mm/min）加工時(shí)間H：minO2001內(nèi)腔減輕槽D16R04167009001:31O2002D16R00.20.27008000:45O2004D16R0547008004:30O2005D16R53167008003:30O20077D10R01.5280012002:30O2006D10R53210008001:10O2009D10R0310500500:15O20381內(nèi)形D25R0544008004:45O20174外形粗加工D25R0544008012:45O2001內(nèi)腔減輕槽D16R04167009001:31O2002D16R00.20.27008000:45O2004D16R0547008004:30O2005D16R53167008003:30O20077D10R01.5280012002:30O2006D10R53210008001:10O20075外形精加工D20R035155080~10003:30總計(jì)49:07針對(duì)鈦合金的加工特性和零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過對(duì)多個(gè)供應(yīng)商提供的刀具進(jìn)行多次同參數(shù)的正交切削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于鈦合金加工，高效切削的意義重大，小切深的高速切削，在某種程度上會(huì)遠(yuǎn)低于大切深加工的切削效率，而且小切深高速加工磨損的完全是刀尖2~3mm部位，往往刀具磨損嚴(yán)重后，刀具就無法進(jìn)行實(shí)際加工了，而中等切深和大切深切削時(shí)刀具的磨損相對(duì)是均勻的，主要集中在刀具的切削深度部位，通過實(shí)際零件的切削加工，可以確定，框段類零件可以選用大切深，低轉(zhuǎn)速、中等進(jìn)給的高效加工方法，其加工效率和刀具壽命均高于小切深的高速加工。通過前期試驗(yàn)可以得出在相同的切削參數(shù)的情況下，各個(gè)廠家刀具的耐用度，其中HK刀具因?yàn)槭褂昧?5°大螺旋角（如圖4-4），并且具有優(yōu)化良好的容屑槽設(shè)計(jì)和鈦合金專用的復(fù)合涂層，使用壽命明顯高于其它廠家的刀具。而作為國內(nèi)鑲齒刀具品牌的德克以優(yōu)良的品種、不輸進(jìn)口品牌的刀具加工效率和壽命以及低廉的加工成為本次加工方案制定的最終選擇，最終我們將零件使用的刀具定位到以HK的整體硬質(zhì)合金刀具替換以前的其它品牌的整體硬質(zhì)合金刀具，用德克的Φ40鑲齒玉米銑刀（如圖4-4）替換原來的山特維克或黛杰的Φ25單層鑲齒銑刀。圖4-4加工刀具4.2實(shí)際切削試驗(yàn)在確定加工方案后，通過UG進(jìn)行相應(yīng)的編程，并對(duì)相應(yīng)程序進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，在使用Φ40鑲齒刀具加工零件內(nèi)外形時(shí)，將優(yōu)化前使用Φ25R0鑲齒立銑刀粗加工的刀具切深由原來的5mm增加到30mm和35mm；使用Φ16R0的整體硬質(zhì)合金立銑刀粗加工內(nèi)腔減輕槽的刀具更改為Φ16R2整體硬質(zhì)合金立銑刀，以減小切削過程中對(duì)刀尖的沖擊，并將刀具切深由原來的4~5mm提高到12mm。在加大刀具切深的同時(shí)，還嘗試進(jìn)一步提高進(jìn)給速度，從而大幅提高加工效率，縮短加工時(shí)間。通過在改變加工方法和加工刀具優(yōu)化、細(xì)化等措施，經(jīng)實(shí)際切削試驗(yàn)，在大幅增大刀具切深和提高刀具進(jìn)給速度的同時(shí)，刀具壽命沒有縮短，零件的加工質(zhì)量完全滿足工藝及圖紙要求。以下為零件優(yōu)化后加工方案：圖4-5外形優(yōu)化后加工刀軌圖4-6內(nèi)形優(yōu)化后加工刀軌圖4-7內(nèi)腔減輕槽優(yōu)化后加工刀軌表4-3零件優(yōu)化后主要刀具清單類型品牌直徑Φ(mm)圓角R(mm)刃長L1(mm)壁空L2(mm)總長L(mm)齒數(shù)Z(個(gè))整硬立銑刀HK16240551004整硬立銑刀HK16540551004整硬立銑刀HK16040/1004整硬立銑刀HK1002555904整硬球頭刀HK1052555904鑲齒立銑刀德克400.850/1704*4刀片德克//////整硬立銑刀HK200451101504表4-4零件優(yōu)化前加工時(shí)間統(tǒng)計(jì)程序名稱加工部位刀具切深ap（mm）切寬（mm）轉(zhuǎn)速S（rpm/min）進(jìn)給F（mm/min）加工時(shí)間H：minSY1內(nèi)腔減輕槽D16R2131660012000:35SY2D16R2131660012001:30SY3D16R20.30.3120050000:18SY4D16R5131660012000:36SY5D16R02260012000:07SY16D10R0102100022000:09SY17D10R552100012000:05O2009D10R0310500500:15SY6內(nèi)形D40R0301.360012001:06SY10D20R0160.250010000:42SY11外形粗加工D40R035160012000:04SY12D40R035160012000:23SY13D40R035160012002:44SY14D20R015160012000:59SY1內(nèi)腔減輕槽D16R2131660012000:35SY2D16R2131660012001:30SY3D16R20.30.3120050000:18SY4D16R5131660012000:36SY5D16R02260012000:07SY16D10R0102100022000:09SY17D10R552100012000:05SY15外形精加工D20R035160012003:00總計(jì)15:53刀軌路徑優(yōu)化主要集中在以下幾個(gè)方面：1）根據(jù)刀具特性增大刀具切削深度，減少分層數(shù)，縮短刀具切削路程；2)合理設(shè)定程序安全平面與抬刀平面，減少機(jī)床空行程；3）在零件內(nèi)腔拐角處按照余量合理設(shè)定圓角過度，減小刀具切削至拐角處切削力突變的程度，增長刀具壽命；圖4-8刀軌拐角優(yōu)化4）在加工零件內(nèi)、外形時(shí)，采用深度到位，刀具徑向分層方式，充分利用刀具刃長，增大粗加工材料去除率。切削參數(shù)優(yōu)化過程：在優(yōu)化刀具軌跡后還對(duì)刀具的切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在優(yōu)化過程中，各個(gè)刀具的切削用量首先根據(jù)刀具參數(shù)計(jì)算出理論切削參數(shù)，然后在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上試切驗(yàn)證，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在加工時(shí)的狀態(tài)與零件工藝系統(tǒng)剛性，調(diào)試出理想的實(shí)際切削參數(shù)，最后，使用此切削參數(shù)加工驗(yàn)證出各個(gè)刀具壽命，根據(jù)壽命微調(diào)參數(shù)后最終形成固化切削用量。4.3優(yōu)化效果分析通過切削方式和加工刀具的改變，采用了顛覆性的加工方法和切削深度，并且在數(shù)控程序上盡可能進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，整體硬質(zhì)合金刀具的使用壽命沒有隨著切削深度的大幅增加而大幅減少，依舊保持在原來其它品牌刀具的平均水平左右，其刀具單價(jià)也基本與其它品牌刀具相差不大，但單件的加工時(shí)間和能夠加工的件數(shù)卻大幅提高，考慮到機(jī)床的工時(shí)費(fèi)用，單件僅工時(shí)費(fèi)用就節(jié)約了2500元左右，而可加工件數(shù)提高了1.5倍，因此刀具成本大大降低。表4-5優(yōu)化前后整體硬質(zhì)合金刀具使用壽命對(duì)比刀具種類刀具規(guī)格單件時(shí)間（H：min）刀具單價(jià)（元）切削深度（mm）加工件數(shù)（個(gè)）刀具壽命（H：min）刀具品牌整體硬質(zhì)合金立銑刀Φ16R0×10013:3215304454：08沃爾夫整體硬質(zhì)合金立銑刀Φ16R0×10013:3210164454：08HK整體硬質(zhì)合金立銑刀Φ16R0×10013:3213004341：36畢克曼整體硬質(zhì)合金立銑刀Φ16R2×1004:461475131047：40HK鑲齒硬質(zhì)合金刀具的使用壽命也較原有的刀具提高了一倍左右，整體刀片費(fèi)用僅提高一倍，單純考慮刀片采購價(jià)格，優(yōu)化前和優(yōu)化后的費(fèi)用支出基本相同，但由于單件的加工時(shí)間降低了2倍，因此折算成刀具成本也相當(dāng)于價(jià)低了兩倍。表4-6優(yōu)化前后鑲齒刀具使用壽命對(duì)比序號(hào)刀具類型刀桿規(guī)格刀桿價(jià)格（元）刀片規(guī)格（mm）刀片價(jià)格（元）使用刀片數(shù)量刀片總價(jià)（元）刀片壽命（H）品牌1鑲齒玉米銑刀Φ40×170475012541686427德克2鑲齒立銑刀Φ25×150283017176235214山特維克3鑲齒立銑刀Φ25×150465016137227414黛杰表4-7批次零件加工費(fèi)用總覽一批次（12件）零件加工費(fèi)用總覽序號(hào)加工狀態(tài)刀片使用數(shù)量（片）刀片費(fèi)用（元）主要整硬刀使用數(shù)量（支）整硬刀具費(fèi)用（元）刀具總費(fèi)用（元）加工時(shí)間（H）工時(shí)總費(fèi)用（元）總費(fèi)用（元）1優(yōu)化前Φ25×1501支配套刀片30片（品牌：山特維克）2830+5280Φ16R0×1004支Φ16R5×1001支Φ10R0×1001支Φ10R5×1001支Φ20R0×1502支（品牌：沃爾夫）1760025710589.41296681553782優(yōu)化后Φ40×1701支配套刀片32片（品牌：德克）4750+1528Φ16R2×1002支Φ16R0×1001支Φ16R5×1001支Φ10R0×1001支Φ10R5×1001支Φ20R0×1501支（品牌：HK）1250018778190.64193260710通過對(duì)難點(diǎn)加工部位刀具及切削方法的重點(diǎn)優(yōu)化，按照設(shè)備單位工時(shí)成本220元/小時(shí)，單個(gè)批次12件計(jì)算，在2種刀具上產(chǎn)生的效率和刀具成本均有1倍以上的成效，總體加工成本也降低了61%，而加工時(shí)間縮短了68%，困擾車間的瓶頸零件最終通過方案設(shè)計(jì)、刀具改進(jìn)和程序優(yōu)化被攻克。第五章結(jié)論經(jīng)過后續(xù)多個(gè)零件的反復(fù)驗(yàn)證，在刀具壽命不大幅損失的情況下，加工效率提高了2倍，整體刀具成本下降了200%，從而節(jié)約了大量的刀具成本，本次試驗(yàn)確定的鈦合金銑加工刀具現(xiàn)已應(yīng)用于多種鈦合金材料零件的生產(chǎn)加工中，整體效果良好，大幅提高了加工效率，并大大降低了