航空用TA15钛合金零件铣削加工性能的研究与应用

发布时间：2024-02-04 23:23:38 浏览次数：

1 、序言

钛合金是航空航天领域常用的难加工材料之一。钛合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好及高温和低温性能好等一系列优点，被大量应用于航天、航空、医学、航海和汽车等行业[1]。 TA15材料是常见的钛合金牌号，其属于高Al含量的近α型钛合金，具备α型钛合金良好的热强性及可焊性，又具有接近α+β型钛合金良好的工艺塑性。未退火时，TA15 具有中等的室温和高温强度、良好的热稳定性以及焊接性能，相比 TC4 钛合金具有更高的室温、高温强度以及焊接性能，硬度稍大于40HRC。

钛合金螺丝

由于钛元素化学活性大、材料弹性模量低、切削温度高、切屑和刀具的前刀面接触面积小、摩擦系数大且加工硬化严重，导致TA15钛合金加工性能较差[2]。 TA15钛合金铣削加工时应当注意刀具选择，在深腔铣削时要注意加工策略的选择。

2、 TA15钛合金铣削加工刀具选择

TA15钛合金铣削加工要求刀具应当保持较小的切削力、较强的耐热性及抗磨损性。在选择加工刀具时应当遵循以下原则。

2.1 转位刀片式铣削刀具涂层的选择

钛合金加工的难度主要为切削温度高，材料导热性差造成刀具磨损快，寿命低。刀具涂层能减少刀具材料与钛合金之间的摩擦，减少切削热；也能屏障切削热对刀具的影响[3]。因此加工钛合金刀具的寿命多取决于涂层的选择。

刀具涂层分为P V D（物理气相沉积）涂层、CVD（化学气相沉积）涂层。CVD涂层能有效抵御切削过程中高温的影响，适宜于粗加工刀具；PVD涂层厚度较小，有利于保证刀具几何精度，适宜于精加工刀具。钛合金加工需要锋利的刀具刃口，减少切削力及切屑与刀具的摩擦。因此优选PVD涂层。

涂层材料推荐使用AlTiN，与单一的TiN涂层相比，具有很高的高温硬度和优良的抗氧化性能，在切削过程中涂层中的Al元素氧化生成化学性质稳定的Al2O3，对刀具起到保护作用。AlTiN目前已经成为新一代优质刀具的主流涂层选择，成本较低，经济性较好。

基于此，钛合金铣削刀具优选PVD+AlTiN涂层。常见刀具品牌中，伊斯卡刀具推荐采用涂层牌号I C882，山特维克可乐满刀具推荐采用涂层牌号G C1025，肯纳金属刀具推荐采用涂层牌号KC5525。

2.2 转位刀片式铣削几何参数的选择

（1）主偏角的选择主偏角的不同影响主轴方向施加力、切屑厚度等。图1所示为常用不同主偏角。

90°主偏角能直接加工出垂直台阶面，具备通用性强的特点，切削力完全沿径向，随着主偏角的减少，切削力沿轴向的分力越来越大。

铣削深腔或大深度台阶面时，刀具悬深较大，刀杆刚性较差，不适于选择90°主偏角。随着主偏角减少，同等进给量条件下，切屑厚度大大减少；根据现行薄切屑理论，主轴沿X、Y方向切削力大大降低，可选择大进给量、小切削深度、一定切宽的加工策略[4]。这也是目前大进给量铣削刀具的理论基础。选用小直径铣刀刀柄、快进给刀片和强力夹持夹头组成的刀具系统，在实现高效加工的同时，体现了较好的经济性。小直径快进给刀具系统如图2所示，其相应刀片几何参数及性能参数如图3所示。

主偏角的选择优选小主偏角，推荐使用主偏角为10°～25°的快进给铣刀。

（2）轴向前角、径向前角的选择轴向前角、径向前角按其角度值的正负进行组合，分为正负、正正、负正、负负多种组合。钛合金加工应优选正轴向前角、正径向前角，能减少切削力，排屑远离零件，适宜加工如钛合金等硬度较低的金属材料[5]。

（3）齿距及齿数为抑制刀具切削过程中产生的振动，推荐使用不等齿距刀具。图4为不等齿距离示意。钛合金加工过程中不推荐使用密齿刀具。

2.3 整体硬质合金铣削几何参数的选择

整体硬质合金铣刀在加工钛合金时，除上述刀具涂层原则、不等齿距原则和正径向前角原则，还应注意螺旋升角的选择。

大螺旋升角意味着刀具切削过程更大的切削刃长，带来更大的接触面积，抑制刀具切入切出带来的振动，从而提高刀具寿命。太大的螺旋升角不利于刃口强度，因此螺旋升角应适当地大，推荐30°～40°。图5所示为螺旋升角对切削刃长的影响示意。

3 、TA15钛合金零件铣削加工实例

某零件三维结构如图6所示，材料TA15，在首次加工中主要存在的问题：一是加工深腔过程中，刀具易折断；二是切削余量较大，加工过程中刀片磨损严重。

为解决上述问题，从刀具选择及加工策略两方面进行改进。

3.1 刀具型号选择

依据本文提及的刀具选用原则，在转位刀片式铣削时，选择快进给刀具减少刀具磨损。

加工深腔特征目前使用刀片及刀杆情况见表1。

实际使用中刀具磨损特点如下所述。随着加工时间变长，后刀面磨损经历了刀具涂层脱落→刀具刃口发生磨损，出现白色的磨损带→磨损带宽度加大，刀具刃口出现锯口状崩刃→刀具刃口磨损宽度变大，刀具刃口在最大切削深度附近出现月牙状磨损，刀具基本失去切削能力，切削时机床振动加剧，主轴负荷百分比迅速增加。

在刀具不同磨损阶段，切屑状态不一致，如图7所示，左侧为磨损后期，切屑首部及尾部对应刀具的切入、切出加工阶段，形成不规则的分叉及翻边；右侧为刀具未磨损状态，切屑首部及尾部光顺。

3.2 加工策略的改进

改变编程方式、走刀方式及最大程度降低刀具径向所受切削力，采用深腔动态铣削和插铣清根的组合方式进行探索尝试。

下面以一个典型深腔（图6红色标注部位）加工特征进行详细说明。加工特征：腔深180mm，拐角圆角半径8.5mm，根部圆角2mm，采用正常腔铣削时，走刀路径采用Outward helical，所购某品牌快进给刀具f16mm进给率最高120mm/min，拐角降速50%，切削深度最高0.8mm，转速400～600r/min，加工过程中直接折断，加工侧壁出现过切及啃刀现象。采用动态铣削时，走刀路径采用Concentric，进给率180mm/min，切削深度1mm，转速600r/min，走刀路径仿真如图8所示。实际仿真效果如图9所示，动态铣削后拐角处有残留（绿色部分），刀具刀片及刀杆寿命良好，加工侧壁质量良好，拐角处刀具切削状态良好。拐角处残留采用插铣来最大程度降低刀具径向所受切削力，提高刀具的使用寿命。拐角处插铣路径仿真如图10所示，实际仿真效果如图11所示。插铣切削参数转速600r/min，进给率200mm/min。