1、引言

在航空航天業中，許多鈦合金零件具有開口槽結構，由整體毛坯切削去除較多余量而成，因比強度較高，這類零件在航空航天領域得到了廣泛應用[1，2］。傳統開槽一般采用層銑加工方法，當加工較深的槽腔時，需要較長的銑刀懸伸。由于層銑加工時徑向切削力較大，長懸伸銑刀切削極易產生振動，加劇刀具磨損，降低加工質量。因此，為降低切    削振動，不得不大幅減小銑削深度和進給速度，導致加工效率很低。

插銑通過銑刀的軸向進給進行大切除量加工，可以快速去除切削余量[3，4］。田靜云等[5］通過對插銑的實驗研究建立了插銑切削的力學模型；李湉等[6］通過對整體葉輪粗加工的研究表明，與傳統層銑相比，插銑過程中的徑向銑削力減小50％以上，加工效率增加近一倍。

本文通過試驗研究了插銑加工鈦合金深槽的表面形貌、切屑形態、刀具磨損及加工效率等，為插銑工藝在深槽加工中的應用提供參考。

2、插銑開槽工藝及刀具

如圖1所示，插銑加工時，銑刀沿軸向從工件上表面向下進給切削，到達底部后完成切削，向上抬起退刀至工件上表面的初始進刀位置，完成一次插銑加工過程。然后，銑刀沿槽腔縱向移動到下一位置，再重復前述的插銑加工過程，完成下一次插銑加工，此時的縱向移動距離為插銑的銑削寬度α_ｅ。依此方法，銑刀沿槽腔縱向從頭至尾完成插銑加工后，再沿槽腔橫向移動一個步距Ｓ，重復沿槽腔縱向的插銑加工。反復進行上述加工過程，直至完成整個槽腔的插銑加工。

插銑加工需選用小主偏角銑刀，與普通層銑刀具相比，這種刀具在插銑加工時可把大部分切削力引向銑刀軸向，產生的徑向力較小（見圖2）。即使選用較大懸伸銑刀進行加工，仍可保持切削過程的穩定，為深槽的高效加工提供了可能。

3、試驗條件

工件材料：TC4（Ｔｉ－6Ａｌ－4Ｖ）鈦合金屬于α＋β鈦合金，力學性能見表1。如圖3所示，開口槽尺寸49ｍｍ×190ｍｍ×95ｍｍ，是窄而深的槽腔。

插銑刀具選用山特維克可樂滿CoroMill210銑刀，刀體型號Ｒ210－042Ｃ4－09Ｈ，直徑42ｍｍ。由于槽腔較深，在開槽切削時需配裝加長接桿，接桿型號Ｃ5－391.02－40065Ａ。刀片型號Ｒ210－090414Ｅ－ＰＭ，牌號Ｓ30Ｔ，刀片端刃長9.5ｍｍ。銑刀刀體及接桿實物如圖4所示。CoroMill210銑刀工作時主偏角k_r＝10°，切削力主要被引向軸向，徑向力較小，可大幅減小長懸伸銑刀的切削振動。

加工設備：南通機床廠生產的3180龍門銑床。

測量裝置：選用ＶＨＸ－1000Ｃ型超景深三維顯微系統觀測刀具前刀面和后刀面的磨損形貌。

4、試驗方案

試驗采用往復走刀路線，開槽起步沿著槽縱向走刀，回程再切削槽寬方向上的余量。起步第一列開槽寬度為滿切寬（即銑刀直徑）42ｍｍ，由槽寬49ｍｍ可知，回程切寬為余量７ｍｍ。由圖1可知，試驗中銑刀沿槽腔縱向往返移動各一次，且往返兩列走刀路線之間的距離（即步距Ｓ）為完成第一列插銑開槽后槽腔側壁的余量厚度７ｍｍ。由于刀具中心無切削刃，為避免撞刀，插銑時銑削寬度不能超過刀片的端刃長度，試驗中銑削寬度選為6ｍｍ。綜合考慮機床的功率和鈦合金的切削性能，選擇切削速度為40ｍ/min，每齒進給量為0.15ｍｍ/min。切削參數如表2所示。

　加工編程時需要注意，每次插銑結束時，在抬刀前應使刀具離開側壁約1mm距離，防止退刀時的二次切削，加劇刀具磨損。插銑TC4深槽試驗中，采用壓力較高的大流量冷卻液對切削區冷卻，可使切削過程中產生的大量切屑順利排出。

5、試驗結果與分析

插銑切削過程中產生少量由切削液汽化形成的煙霧（見圖5），表明切削區溫度較高。切削區在大流量切削液沖刷下排屑順暢，整個過程平穩。

（1）已加工表面形貌

插銑加工后TC4鈦合金槽腔如圖6所示。槽腔表面粗糙，側壁刀痕明顯，每隔6ｍｍ形成一個殘留棱，棱高最大值為0.5ｍｍ。槽腔底部表面也有明顯的刀痕。與層銑相比，插銑已加工表面粗糙，需進行后續精加工。

（2）切屑形態

插銑加工中銑刀的端面刃為主切削刃，切削過程中銑刀沿其軸向的進給速度v_ｆ決定插銑加工的每齒進給量。與普通層銑類似，插銑切屑的大小由銑削寬度、每齒進給量等切削參數及銑刀直徑、主偏角等銑刀幾何參數共同決定（見圖７ａ）。切屑寬度由銑削寬度和銑刀主偏角決定，切屑厚度由每齒進給量決定，切屑長度由銑削寬度和銑刀直徑決定。

插銑的切屑向外螺旋卷曲，切屑頭部較窄，中部變寬，切屑尾部又逐漸變得很窄，單個切屑一般可形成兩個螺旋（見圖７ｂ）。切屑尾部由寬逐漸變窄，表明銑刀在切出過程中承受載荷逐漸降低，刀片切出工件瞬間承受的拉應力也大幅降低。根據切屑形態可知，此時插銑切削狀態有利于降低刀具的磨損，提高刀具使用壽命。

（3）刀具磨損情況

圖8為插銑加工后銑刀的磨損形貌。插銑加工中銑刀的主切削刃為端面刃，因此刀具磨損主要集中在銑刀的端面刃附近。圖8ａ顯示，磨損刀具的前刀面沒有出現明顯的月牙洼形態，前刀面的磨損區域非常靠近主切削刃，且微崩刃、溝槽磨損為其主要磨損形態；圖8ｂ顯示，后刀面磨損帶沿主切削刃分布，范圍較大，但寬度較窄，后刀面磨損寬度ＶＢ約為0.145ｍｍ。磨損形式以微崩刃磨損為主。圖8中顯示刃口多處出現微崩刃，這是由于插銑過程中需要多次的進刀和退刀，進刀過程中會有較大的沖擊力，加劇了刃口微崩刃的發生。

（4）切削時間對比

試驗測得插銑一次完整的進刀需用時35ｓ，整個開槽過程需68次進刀，用時合計39.７min。

傳統層銑選用可樂滿CoroMill390（刀具直徑42ｍｍ，主偏角90°）銑刀，切削速度50ｍ/min，每齒進給量0.15ｍｍ/ｚ。為避免刀具受徑向力過大產生切削振動，切削深度不宜過大，推薦值為2ｍｍ；槽寬為49ｍｍ，顯然層銑加工開槽首刀為滿切寬銑削，即42ｍｍ；第2刀銑削寬度為剩余的７ｍｍ。層銑開槽的切削參數如表3所示。

在此參數下層銑，共需切削48層，包括刀具空行程時間共為82.5min。如圖9所示，插銑比層銑時間減少了約42.8min，切削效率提高了51.9％。在鈦合金深槽的開槽加工中插銑的切削效率更高。

6、結語

通過試驗對TC4鈦合金深槽的插銑開槽進行研究，得到以下結論：

①插銑加工表面粗糙度較大，一般需要進行后續精加工；

②插銑刀具磨損主要發生在刀片的端面刃，磨損形態以微崩刃、溝槽磨損為主；

③插銑在進行深槽開槽粗加工時切削效率明顯高于普通層銑。

綜上所述，插銑加工槽腔表面粗糙，一般還需進行二次精加工。在淺槽加工時，效率與傳統層銑相比沒有明顯優勢，因此插銑不是淺槽的首選開槽方法；當層銑加工深槽極易引發切削振動，導致刀具壽命、銑削效率和加工質量大幅降低時，可采用插銑取代傳統層銑，大幅提高切削效率。

參考文獻

[1]朱知壽.我國航空用鈦合金技術研究現狀及發展[Ｊ］.航空材料學報，2014（4）：44－50.

[2］李亞江，劉坤.鈦合金在航空領域的應用及其先進連接技術[Ｊ］.航空制造技術，2015（16）：34－3７.

相關鏈接