活门安装座高速铣削加工技术初探
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作者: 郭红 裴宇飞 高克
摘 要： 活门安装座是材料为TA15的钛合金零件，在零件的加工过程中需要对上曲面进行数控铣加工，加工余量大，刀具磨损严重，加工时间长，采用高速铣的加工方法，合理的选择刀具和切削参数，可以有效降低刀具磨损，减少加工时间，提高生产效率。
关键词： 钛合金；高速铣；刀具参数；切削用量
中图分类号：V228 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1210131－01
1 高速铣介绍
顾名思义，高速切削，首先是高的速度，即要有高的主轴转速，比如12000r/min、18000r/min、30000r/min、40000r/min，甚至还有更高的转速仍在试验中；另一方面，又应有更大的进给量，如30000mm/min、40000mm/min，甚至60000mm/min；再有就是快速移动、快速换刀、主轴换刀后从静态到达其所需转速的加速时间等等，只有达到了上述标准才能称之为高速。
其次是要针对不同的加工对象、不同的硬度、不同的材质、不同的形状来选择相应合理的参数，而不能一味地追求为高速而高速，特别是对于曲面加工，形状复杂而刀具直径又较小时，由于刀具的运动轨迹不是简单的直线运动而是曲线，甚至有直角拐弯的时候，工艺参数的合理性就尤为重要，因为要想保持同一进给速度进行直角切削，搞不好会由于机床运动部件的巨大惯性而导致刀具做弯角运动时突然断裂，而变速运动又会由于加速和减速等运动造成切削厚度的瞬间变化，而导致切削力变化使工件表面有切纹，由此使加工质量下降，所以，针对不同的加工对象，需要选择合理的刀具运动轨迹，优化切削参数；另一方面，根据需要选择适合的切削速度，只有这样才能真正发挥高速切削的长处。
应用高速切削，我们可以实现下列目标：
1）由于采用小的切削深度和厚度，刀具每刃的切削量极小，因而机床主轴、导轨的受力就小，机床的精度寿命长，同时刀具寿命也延长了。
2）虽然切削深度和厚度小，但由于主轴转速高，进给速度快，因此使单位时间内的金属切除量反而增加了，由此加工效率也提高了。
3）加工时可将粗加工、半精加工、精加工合为一体，全部在一台机床上完成，减少了机床台数，避免由于多次装夹使精度产生误差。
4）可以加工高硬度、难加工材料（可达62HRC左右），可以钻ø1mm以下的小孔。
5）最重要的是，加工时间短，经济性能好。
高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。那么，它是不是放之四海而皆准呢？显然不是。目前，即便是在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对于这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究当中。实际上，人们对高速切削的经验还很少，还有许多问题有待于解决：比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的选择、CAD/CAM 的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。那么，针对活门安装座这个钛合金零件，采用高速铣削的加工方法，我们主要要从哪几个方面考虑呢？
2 材料切削工艺分析
钛及其合金的最大优点就是比强度大，钛合金的比强度超过铝合金和超高强中碳调制钢。由于钛合金的比强度大，又具有较好的韧性和焊接性，钛合金在航空工业中得到了广泛的应用，目前近一半的钛合金用于该领域。主要用于制造重量轻、可靠性强的结构，例如发动机机匣、压气机盘、叶片等。这么多的钛合金材料应用于航空领域，那么它都有哪些切削加工工艺特性呢？
1）摩擦系数大，导热系数低，刀尖切削温度高。钛合金热导率仅为钢的1/4、铝的1/14、铜的1/25，因而散热慢，不利于热平衡。切削时产生的切削热都集中在刀尖上，使刀尖温度很高，易使刀尖很快熔化或粘结磨损而变钝。
2）黏刀现象严重。这是由于钛的亲和性大，切削温度高，刀具切屑单位接触面积上的压力大，容易产生回弹等多种因素的综合影响，切削时钛屑被加工表面与刀具材料咬合，产生严重黏刀现象，黏刀的结果，在切削加工过程中，引起强烈的黏结磨损。
3）弹性模量小。钛合金的弹性模量只有30CrMnSi的56%，这说明零件的刚性差，切削时易产生弹性变形和振动，不仅影响零件的尺寸精度和表面质量，而且还影响刀具的使用寿命；同时造成已加工面的弹性恢复较大，刀具后面摩擦增加导致刀具过快磨损。
4）化学活性大。在300℃以上时有强烈的吸氢、氧、氮的特性，造成加工表面易产生脆硬的化合物，切屑形成短碎片状，使刀具极易磨损。
3 切削用量和刀具参数的选择
刀具应选择具有高硬度、高抗弯强度和韧性、耐磨性好、热硬性好、工艺性好、散热性好的材料，主要为高速钢W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5（M42）和硬质合金YG8、K3O、Y330。
刀具几何参数应以保证刀具强度高、刚性好、锋利为原则，细长比不能过大，加工时采用顺铣。刀具参数见表1，切削用量见表2。
表1 铣削刀具参数
通过以上的分析和研究，并根据现场的实际情况，机床方面我们选择选择小巨人数控加工中心，因为这种加工中心主轴强度大、刚性好，转速可以很容易的就达到10000转以上；刀具方面，经过试验比较我们选择伊斯卡的EBL100A22-4C系列，因为这种刀具是专门为高速铣削钛合金这种材料而生产的，它的材料为YG8，表面喷有涂层，前角为4°，后角为20°，
螺旋角为45°。至于刀具大小，由于上曲面和侧面有R6的转接圆角，我们选择直径为12的球头铣刀；切削用量方面，也是经过不断的调试、试验，转速最终给到10000r/min，进给量给到4000mm/min，切削深度给到0.3mm。
4 效果检验
通过对钛合金这种金属材料切削加工特性和钛合金高速铣削加工的刀具、切削用量的深入了解，在选择合适的刀具和合理的切削用量后，现在采用高速铣加工上表面只需要1.5个小时，与之前采用普通数控铣加工时的5个小时相比，加工时间成倍的减少；刀具磨损情况显著降低，以前加工1个零件需要1把铣刀，而现在一把铣刀可以加工3-4个零件，刀具消耗明显降低；而且加工过的零件表面粗糙度与以前相比也有了十分明显的提高。综合各个方面，高速铣减少了加工时间，降低了刀具消耗，提高了生产效率，取得了可喜的成绩。
参考文献：
[1]漏油活门安装座设计图.
[2]漏油活门安装座工艺规程.
[3]钛合金高速铣削技术的基础研究，南京航空航天大学.
[4]材料科学基础，上海交通大学出版社.
[5]机械加工工艺，机械工业出版社.
作者简介：
郭红（1968-），女，毕业于东北大学机械专业，高级工程师，现任沈阳黎明航空零部件制造有限公司的总工程师职务，主要研究航空中小零件的加工；裴宇飞（1976-），男，学历工程硕士，毕业于大连理工大学软件工程专业，工程师，现任沈阳黎明航空零部件制造有限公司的副总经理职务，主要研究航空中小零件的加工；高克（1982-），男，毕业于沈阳工业大学机械专业，工程师，现任沈阳黎明航空零部件制造有限公司二级技术专家。
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