三菱应用于钛合金加工的新型铣刀

　　航空航天工业中大型的框架，梁和璧板类零件及许多发动机主要零件广泛地采用综合力学性能好，密度低，耐腐蚀性强的钛合金材料。钛合金为难加工材料。其切削特性为;⑴导热性差，约仅为45号钢的1/5-1/7。故切削中生成的热量不易排出。切削时其变形系数(切屑厚度/切削厚度)小于1或接近于1，切屑与前刀面的接触面小，而二者滑动距离相对长，故切屑与前刀面形成剧烈摩擦，所产生的热与温度很高，在相同的条件下，切削温度可比切削45号钢高约1倍。致使刀具软化，变形，加剧磨损。⑵化学活性大，易与空气中氧等反应，使表面变硬，增加切削力。⑶钛切屑易黏结在刀具上，在加工中黏结物被持续的后加工强制除去时，刀具会造成损伤，而降低刀具寿命。⑷钛合金弹性模量小，弹性变形大。切削后的回弹会加剧刀具的摩擦磨损，弹性变形和恢复的过程中，还会产生振动，从而降低加工精度和加工表面质量。钛合金零件在铣削，钻削加工簿壁件时，其难加工特点则尤为突出。钛合金的框，梁，璧板等自身刚性差，对大的切削力，高的切削温度反应敏感。加工时更需特别注意。故应该尽力改善影响切削力，热的多种因素，使切削力，热下降;提高工艺系统各部分刚性;减少黏结;加速排屑很重要。新刀具的设计应注重改善以上几方面。

　　纯钛和纯铁一样，在一定的温度下会产生相变，它在882℃以下成为密排六方晶格的α钛，在882℃以上成为体心立方晶格的β钛。在其中加入合金元素后，会使其相变温度，各相的量发生变化，从而形成不同组织的钛合金。按照相组织来分;室温下分类为;α钛合金，β钛合金，α+β钛合金。我国分别以TA，TB，TC表之。目前最常用的钛合金是Ti-6Al-4V由美国最早研发，我国牌号为TC4，它属双相α+β钛合金。它的综合机械性能，组织稳定性能，热加工热处理性能均好。本文主要以它为铣加工对象，调查了日本三菱公司在这方面新开发的产品，现介绍如下，以使我们可得以借鉴。

　　日本三菱公司最近在粗铣加工方面研发制造了VFX系列立铣刀。用它的外圆周刃可加工侧面，台阶面的立面。底刃可加工平面。粗大的刀体结构和立装刀片使其整体刚性提高。刀片下部形状为V形，刀片被在刀体上的双V形定位块定位。双V形块的角度较大，有一定的厚度，再加侧面定位，刀片在刀体上被定位夹紧后安装刚性也很高。高刚性使刀具在加工中变形，振动得以改善，立铣刀与工件相对位置稳定，加工精度和加工表面质量可保证提高。VFX系列铣刀的刀片型号为XNMU190912R-MS。其材料是MP9030，这是针对钛合金新开发的。它是在强韧导热性好的硬质合金基体上加(Al，Ti)N-Ti化合物新型涂层，加工中，可发挥较优异的耐磨性，耐破损性。刀片的刀刃呈曲线形，切入工件平稳，切削力减小，工件和刀具的变形小，生成热量较小，加工的质量得以提高。VFX型铣刀针对钛合金切屑易黏结，在排除切屑方面，也设计制出了创新结构，内部的冷却液如图可直接作用在切屑上，使它强制排出，以防止黏结在刀片上，从而延长刀具寿命。VFX系列铣刀的冷却润滑液喷嘴可据机床所供压力进行更换，不同的压力有不同的孔径，不同的流量的喷嘴。本系列共有4种规格。标准的喷嘴孔径为0.8㎜。液压及流量为1Mpa,20L/min，喷嘴孔径为0.6㎜。液压及流量为5Mpa,30L/min时，喷嘴孔径为1.2㎜。液压及流量为7Mpa,50L/min时，喷嘴孔径为1.6㎜。现铣刀直径有63㎜(4刃齿列)，80㎜(5刃齿列)，100㎜(6刃齿列)三种。每种按刀体长度，刃齿数不同。其底刃和周刃用同一种刀片，这可使备货及管理方便。VFX系列钛合金加工用立铣刀粗加工效率特别高，以直径为63㎜为例，最大排屑量可达每分钟400立方厘米。计算最大排屑量公式=ap×ae×n×fz×刃列/1000。(其中ap是背吃刀量,ae是侧吃刀量,n是铣刀转速,fz是每刃齿进给量)。具体的切削条件选择可参照样本。用硬质合金刀片切削钛合金的速度不宜过高，VFX系列铣刀选40-60m/min即可，过高的切削速度会造成过热，并形成黏结磨损破损，扩散磨损等使刀具寿命降低。并可使钛合金工件表面烧伤，氧化，开裂，从而影响其加工质量。

　　一般立铣粗加工大工件时，为经济起见可用带可转位刀片的立铣刀，而在精加工则多应用精度较高的整体立铣刀。三菱公司为精加工钛合金，耐热合金等开发了整体硬质合金立铣刀如;VF-MHV,VF-6MHV,VF-8MHV等型号的直角头立铣刀。VF-MHVRB,VF-6MHVRB,VF-8MHVRB等圆弧头立铣刀。VF-4SVB球头立铣刀。它们的特点是①同一立铣刀各刃列螺旋槽的角度和导程不同，分别为42°/45°和43.5°/45°等。这可使其抗振性能提高，加工质量提高。如采用VF-MHVD1000(Ф10)立铣刀加工Ti-6Al-4V台阶面，转速800-4000转/分，进给速度160-800㎜/min,使用水溶性冷却润滑液，在这样宽的切削条件范围内，在当侧吃刀量ae=1㎜以下，均获得很光洁的表面，而不用抗振的立铣刀，在转速稍高，ae稍大时,即发生很大的振动及振痕，表面质量差，不能进行稳定加工。②设计制造出适应不等导程和螺旋角的有利加速排出切屑的新螺旋槽断面结构形状。使切屑顺利排出，减少了黏结，减小了切削力，间接减少了故障，有利于实现了稳定加工。③立铣刀型号中6MHV,8MHV等表示立铣刀刀刃数由普通的4刃增加到6刃，8刃。刃数增多，则槽深，槽容积减少，立铣刀的芯部增粗，刚性增大了，有利于对工件进行精加工。④立铣刀的基体材料采用耐破损性特好的超微粒硬质合金。⑤立铣刀切削部分表面采用三菱公司自己开发的Impact Miracle涂层代号为VF,实为(Al,Ti,Si)N纳米涂层，其硬度高达Hv3700,这接近了CBN的硬度。氧化开始温度高达1300℃，与基体结合力达100N(用抓痕法测定的临界负荷),800℃时摩擦系数仅为0.48(球盘法测定)。正是由于其硬度高，耐高温故为其能加工钛合金等耐热难加工材料提供了较好的基础条件。为了进一步提高对钛合金等难削材料加工质量效率，三菱公司又开发了CoolStar系列整体立铣刀其特点是在上述整体硬质合金立铣刀型号的基础上发展起来的。其最大特点是整个立铣刀切削部分分布许多冷却液孔，这些冷却液孔的位置均经过优化，使其发挥优异的冷却作用，提高加工稳定性。

　　CoolStar系列有4刃，6刃，8刃的直角头，圆弧头和刃部带分屑齿槽适快速碎断切屑高效粗加工的三类立铣刀。由于刀具整体各处均能稳定地供应冷却液，可以顺利地实现各种加工。例1;用Ф16带分屑齿槽的VFSFPRCHD1600加工Ti-6Al-4V板材上宽16㎜，深32㎜的槽，以切削速度100m/min,(转速2000转/分)，进给速度400㎜/min.(0.05㎜/齿)，供0.7Mpa水溶性冷却润滑液。只走两次刀，每次切深16㎜即可。若没有多孔供冷却液的立铣刀会在加工中途，发生严重黏结，迫使切削终止。例2;用6齿的VF6MHVCHD1600(Ф16)立铣刀在Ti-6Al-4V钛合金工件上加工比自身直径大宽21㎜ 的槽，可用立铣刀自转再加插补作行星运动，一次加工出宽21㎜的槽。切削速度为150m/min(转速3000转/min)进给速度为1800㎜/min(0.1㎜/齿)，供0.7Mpa水溶性冷却润滑液。加工质量良好。若用一般外部冷却的立铣刀，即使减低速度和进给量，因产生黏结，加工质量还是较差。

　　随着钛合金的日益广泛地使用，尽管硬质合金刀具各大公司作了许多改进，取得了很多进步，应该得到肯定赞许和互相学习借鉴。但是钛合金的加工部门期望更高，今后能否用CBN，PCD等超硬材料能更高效高速地加工钛合金的问题，为人们关注，但是硬质合金的价格较低，在结构，几何角度，材料，涂层，冷却液等方面改进还有很多余地，这也是不可忽略的。国内的同行也应学习国外的先进刀具设计思路，迅速提高自己。

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