钛材料的机床测试加工

　　【编者按】在钛材料加工中，为了使刀具系统达到最优化，获得最大的金属切除率，需要特别关注提供切削力输出的机床性能、切削刀具的切削刃与工件接触部位的特性以及机床与刀具的联接部位——主轴联接装置。

　　如果能够在购买大型的特殊材料加工设备时运用变速自行车的类比原则，就能取得更好的效果。人们购买变速自行车是为了娱乐或锻炼，但在骑行的时候，却总是使用感觉最舒适的两三个变速档位。环法自行车赛运动员和其它经过良好训练的运动员既关注赛车的各个部件（车架、脚蹬、传动装置、车轮等），同时又利用各个部件的优势，以获得赛车无论是在爬坡时，还是在平地骑行时最大功率的输出。
    　对于许多加工车间而言，加工高强度的高温合金工件就如爬坡一般艰难。为了解决这个问题，机床制造商将铣床和车床的刚性提高，改善主轴的减震性能和机床构架的尺寸，并提高了马达的性能。这些措施是为了能够提供所需的大切削力，同时减少有害的机床振动，以避免工件加工质量的降低和缩短刀具使用寿命。在钛材料加工中，为了使刀具系统达到最优化，获得最大的金属切除率，需要特别关注提供切削力输出的机床性能、切削刀具的切削刃与工件接触部位的特性以及机床与刀具的联接部位——主轴联接装置。机床制造商三井精机（Mitsui Seiki）公司与刀具及刀柄产品供应商肯纳金属共同合作，对钛材料（Ti-6Al-4V）工件进行了加工测试。测试使用的机床为Mitsui Seiki HPX63 CNC卧式加工中心，4把支肯纳金属刀具产品，每把刀具都采用KM4X 100主轴联接装置。
    机床
    HPX63机床的最大加工直径为1050mm，最大工件高度（Y轴）为1050mm，X轴行程为1000mm，Z轴行程为900mm，托盘尺寸为630mm。B轴转台转速可达12rpm，具有扭矩大、加速快的特点。移动速度可达32m/min，加速度/减速度为0.5G，切削进给率为12m/min。
    该机床专为精密加工而设计，采用的冶金工艺使铸件具有最大的刚性，主轴箱轴向滑轨经过淬火、磨削、手工刮磨处理，定位精度和重复定位精度为0.001mm。三井机床的主轴装置能对温度变化进行自动补偿，不需要“热机”时间。这家公司提供多种主轴选择方案，以满足用户选择直接传动和齿轮传动的需要以及对不同扭矩和转速的需要。
    总之，HPX63机床具有良好的坚固性、刚性和精确性，非常适合对钛、铬镍铁合金、工具钢、不锈钢以及铝材料的加工，适用于航空航天行业、能源行业、压缩机、模具、夹具及工装设备、汽车原型零件制造以及通用高精度加工。
    主轴联接装置
    为了使刀具系统达到最优化，要求主轴联接装置能够最大化地传递机床功率。市场上多数刀具产品为整体式刀具，主轴夹紧力相对较低。由于联接装置的刚性非常有限，并且径向配合需要保持在最小规定值内。为了获得稳定的端面接触性能，需要非常紧密的公差等级，因此加工成本大幅上升。尽管有的联接装置可以传递大功率扭矩，但在达到最大扭矩之前，切削力产生的弯矩可能已经超过联接装置能够承受的极限。
    肯纳金属公司生产的KM4X是新一代的KM主轴联接装置。该装置的三面接触设计提高了稳定性，优化了夹紧力的分布和过盈配合，因此，装置的抗弯矩性能是其它刀柄系统的3倍。在测试切削加工中，HPX63配备了大扭矩高功率的主轴装置，最大功率为26/22kW，最大扭矩为1082 Nm。KM4X 100主轴联接装置可形成85 kNm的夹紧力，是HSK100装置的2倍多，是BT50装置的3倍（这两个装置的夹紧力分别是40kNm和25kNm）。
    切削刀具
    在测试中使用了四把不同的切削刀具，分别是：一把带7个方形可转位刀片、直径203.2mm的端面铣刀；一把带7个圆刀片相同直径的端面铣刀；一把直径76.21mm、长度228.6mm的玉米铣刀（HARVI Ultra），带有5个螺旋排，每个螺旋排上有11个刀片；一把直径125mm、带有6个可转位刀片的平底可转位钻头（FBI）。
    由于机床和主轴具有充足的功率输出，并且主轴联接装置有卓越的夹紧力，因此测试加工结果非常出色。方形刀片端面铣刀的金属切除率达到了88.74cm2/min，主轴速度为64 min-1，切削深度为12mm，切削宽度为45mm，进给率为164.3mm/min。在主轴速度为73 min-1、切削宽度177.8mm、切削深度3mm、进给率88.9mm/min的条件下，圆形刀片端面铣刀的金属切除率为47.42cm2/min。HARVI Ultra玉米铣刀可同时进行X轴和Y轴方向的切削，在主轴速度为171min-1、进给率为101.6mm/min、切削深度为40mm、切削宽度为76.21mm条件下，其最大金属切除率可达309cm2/min。FBI钻头在钛材料工件上钻了一个平底孔，在主轴速度为102min-1、进给率10.2mm/min、孔径125mm的条件下，金属切除率为125.2cm2/min。在钻完第一个孔后，将工件在主轴上旋转45°角再钻出一个斜孔，斜孔穿过第一个孔的钻孔边缘处。尽管加工过程为严重断续切削，但机床和钻头都表现出良好的性能。
    性能最优化
    与常规型或通用型机床相比，HPX63在加工钛合金工件的金属切除率可提高1.5－2倍。KM4X主轴联接装置有足够的夹紧力并采用过盈配合方式，加工时可采用更高的转速，扭矩输出最大化。机床的加工效率和刀具的切削性能都得到显著提升。
    此外，KM4X100主轴联接装置的性能可以达到HSK125的性能水平。不仅如此，还可避免使用超长主轴、大型换刀臂、大型刀具库以及其它会增加机床占地面积装置的因素。使用正确的刀具和主轴联接装置可以减少机床的尺寸，并在钛材料和其它难切削合金材料加工中显著提高加工效率。主轴联接装置可以确保刀具的性能达到最大化，可以充分发挥切削刃、铣刀、钻头和车刀的性能，提高加工效率。
    Mitsui Seiki机床具有超长的耐用性，在长时间重型加工条件下仍具有超长的使用寿命，可以大大提高客户的加工效率。机床的制造质量越高，机床的长期运转成本就越低，因为可将机床的停机时间降至最低。

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