0 引言（yán）

       鈦（tài）合金材料以其高強度、耐高溫、抗腐蝕（shí）、輕質等良好的綜合（hé）物理機械性能, 被廣泛應用於航天、航空、航海、石油、造船等工業領域。但與傳統金屬（shǔ）材料相比其機械加工性能相對較（jiào）差,

       主要體（tǐ）現於如下幾個方麵（miàn）[ 1] :

       ( 1) 切削條件要求較高。鈦合金材料對切削速度非常（cháng）敏感, 欠合理的（de）切削參數選擇會極大地縮減刀（dāo）具的壽命。

       ( 2) 切削溫度高。鈦合金材料導熱（rè）係數小, 散熱條件差, 在（zài）切削過（guò）程中（zhōng）刀具與切屑（xiè）間（jiān）的摩擦係數大, 切（qiē）削熱集中於刀刃附近, 因此, 會造成切屑與刀具接觸界麵溫（wēn）度過高。

       ( 3) 彈性恢複大。鈦合金彈性模量小, 在切（qiē）削力（lì）作用下產生較大（dà）的彈性恢複。對大徑深孔加工來（lái）說, 由於孔收縮量較大,故易造（zào）成鑽頭刃（rèn）帶與孔壁間產（chǎn）生摩擦, 嚴重時可能導致鑽頭“抱死” 。大回（huí）彈量（liàng）將使刀具的實（shí）際切削後角減小, 加劇了後刀麵與（yǔ）加工表麵間的摩擦。

       ( 4) 刀尖應力大。計算結果表明, 鈦合金材料的切削應力約是中碳鋼的1. 3 倍。由於刀尖附近應力集中, 所以刀尖或切削刃極易磨損。

       ( 5) 變形係數小（xiǎo）。加工鈦合金時, 經常可以看到形成（chéng）擠裂的切屑, 且刀（dāo）具易磨損, 其主（zhǔ）要原因是切屑沿著前刀麵（miàn）流出（chū）的速度大於其他（tā）材料（liào）對前刀麵（miàn）的（de）摩擦。

       ( 6) 化學活性（xìng）高。在一定切削溫度條件下, 鈦吸收（shōu）大（dà）氣中的氧、氮、氫等元（yuán）素, 而形成氧化鈦（tài）、氮化鈦和氫化鈦薄膜, 使表麵層硬化和變脆, 降低（dī）了塑性, 加大了加工硬化程度, 從而加劇了刀（dāo）具磨損。

       ( 7) 粘結磨損及擴散磨損較突出。切削時由於鈦合金的親和力大, 而使摩擦表麵的接觸點容易相互粘結。在相對運動下,帶走刀具（jù）材料而造（zào）成粘（zhān）結磨損。

       針對上述問（wèn）題, 本文緊密結合鈦合金電（diàn）纜端子零件的（de）生產,著重研究和探討鈦合金材料的數控加工工藝方法和實用技術,其中（zhōng）包括刀具幾何（hé）形狀的合理選擇、切削參數（shù）優化（huà）、以及采用普通高速鋼鑽頭和立銑刀加工高精度大孔徑（jìng）比鈦合金孔的加工（gōng）工藝路（lù）線和措施。

       1 加工設備及刀具的選擇

       1. 1 加工設（shè）備（bèi）

       因普（pǔ）通（tōng）機床的加工（gōng）過程是機械的、固定的, 主軸和切削進率一般是（shì）不可調的（de）, 所以用其加工鈦合金孔特別是孔徑比較大時,排屑不及時鑽屑經常被粘結在鑽頭上, 增加摩擦則會引發過熱現象產生, 若加工設備或工藝係（xì）統剛性較差, 則會（huì）產生係統振動甚至折斷鑽頭。

       數（shù）控加工中心具有機床剛度強、加工適應範圍（wéi）廣、精度高（gāo）、加（jiā）工過程可編程（chéng）控製、操作靈活主軸轉數和進給率隨時可調等特點, 若合理安排加（jiā）工工藝, 正確選擇刃具（jù）幾（jǐ）何角度, 優化的切削（xuē）參數和靈（líng）活的（de）數控程（chéng）序, 是鈦合（hé）金材料（liào）及其它特種材料加工的最佳設備。

       2. 2 加工刀具

       從理（lǐ）論上講, 加工鈦合金時, 應（yīng）盡可能選擇與鈦合金（jīn）化學親和力小的刀具材料、合理的（de）刀具幾何形（xíng）狀, 切削刃後角要大於普通刀（dāo）具（jù）且要保持鋒利。和（hé）切削（xuē）用（yòng）量一般小於加工（gōng）普通鋼材的用量, 同時, 增加加工係統的剛（gāng）性, 配以高效的冷卻液。

       但是, 對於諸多非專業加工鈦合金（jīn）企業, 在生產批量小和周期短等條件下, 訂購專用刀具在經濟和時間上往往是不可行的,隻能利用現有的通用刀具加以修磨改進。

       2 加工工藝的分析

       本文通過在立式加工中心上加工TC4 鈦合金海底電纜接頭( 如（rú）圖（tú）1 所示)這一實例, 詳細地對比分析了刀（dāo）具和工藝在改進前後的加工效果和產生原因。電纜接（jiē）頭型腔部分（fèn）前序已加工完成, 現主（zhǔ）要分析圖2 中粗糙度為1.6Lm、深69mm、φ28mm 孔的加工過程（chéng）。

       2.1 沿用傳統鋼件加工工藝

       高速鋼刀具切削速度小於15m/ min, 進給量每切（qiē）削刃小於0. 02mm, 加工工藝路線如下:

       ( 1) 采用（yòng）直徑（jìng）為<2. 5mm 的高速鋼中心鑽, 加工方式（shì）使用G81 鑽孔固（gù）定循環打中心孔。

       ( 2) 首先采用（yòng）直徑<12mm 高速鋼鑽頭鑽底孔, 用（yòng）<20mm 鑽（zuàn）頭第一次擴孔, 然後用<27. 5mm 鑽頭進行第二次擴孔, 加工方式（shì）均采用加工深孔固定循環G83 啄式鑽孔。

       ( 3) 采用<27. 8mm 單頭高速鋼鏜刀粗鏜, <28mm 單頭高速鋼鏜刀精鏜, 加（jiā）工（gōng）方式采用（yòng）鏜鉸孔固定循（xún）環G86。

       ( 4) 加工冷卻液為冷卻機油。

       本加工中心（xīn）控製係統FANUC 0- M。G81 為加工中心（xīn）孔固定循, 指（zhǐ）令功能: 鑽孔到設定（dìng）深度; 鑽頭快速提刀; 退出（chū）工件的上（shàng）表麵一（yī）定高度。G83 為鑽孔固定循環, 指令功能: 每鑽進一定深度（dù）; 鑽頭快速提刀; 退出工件的上表麵一定高度; 然後再快進回到原加工深度繼續加工。G86 為鏜、鉸孔固定循環, 指令功能:以攻進速（sù）度鏜孔到設定深度（dù）; 主軸停（tíng）轉（zhuǎn）; 快速提刀; 退出工件的上表（biǎo）麵一定高度; 主（zhǔ）軸再（zài）轉。

       2.2 傳（chuán）統工藝加工效果及原因分（fèn）析

       ( 1) 鑽中心孔, 主軸轉速1500~ 1800 轉（zhuǎn）, 鑽孔深度3mm, 加工方式G81 固定循環。加（jiā）工效果: 加工基本正常。

       原因分析: 加工孔較淺時加工所產（chǎn）生（shēng）的熱量（liàng）很（hěn）少, 對加（jiā）工影響很小。

       ( 2) 直徑<12mm 高速鋼鑽頭鑽底孔, 主軸轉速400 轉, 鑽（zuàn）孔深度73mm, 加（jiā）工方式深孔（kǒng）固定循環G83, 用意減小（xiǎo）用大直（zhí）徑鑽頭鑽孔時的（de）切削力（lì）。

       加工（gōng）效果: 加（jiā）工（gōng）孔不太深時情（qíng）況基本（běn）正常, 加工孔較深時噪聲加大。

       原因分析: 因為（wéi）鑽孔采用了G83 固（gù）定循環, 第一解決了因鈦合金變形係數小易形成擠裂碎切屑, 不容易沿著鑽頭的排屑槽（cáo）自然排屑（xiè）的問題; 第二改善了（le）因切（qiē）削鈦合金時摩擦（cā）係數大、導熱係數小、散（sàn）熱條件差, 而造成的刀具過熱（rè）磨損加快的現象, 所以加工孔徑比較小時加工基本正常, 當（dāng）孔加工到較深時, 由於鈦合金彈性模量小彈性恢複（fù）大的特（tè）性, 已加工的（de）的孔麵與（yǔ）鑽頭的刃帶發生摩擦（cā）產生（shēng）噪聲。

       ( 3)<20mm 和<27. 5mm 高速鋼鑽頭擴孔, 鑽孔深度75mm, 主軸轉速分別250 和180 轉, 加工方式仍采用G83 固定循環。用（yòng）意減小切削力。

       加工效果（guǒ）: 擴孔加工過程中雖然還是采用G83 固定循環, 但是加工中噪聲越來越大, 加工中心的（de）扭矩表針來回大幅（fú）度擺動,切削（xuē）力急劇增加, 並伴有振動, 鑽頭（tóu）磨損嚴重, 特別是（shì）切削刃在原底孔直（zhí）徑處磨損更為嚴重, 以至於無法正常加工。

       原（yuán）因分析: ¹ 因（yīn）鈦（tài）合金（jīn）彈性模量小, 在切削力作用下產生較大的彈性（xìng）恢複（fù）, 特別是加工大徑孔時孔收縮量較大, 造成鑽頭刃帶與孔壁間產生摩擦, 所以（yǐ）產生了較大的噪聲和切削力, 甚至（zhì）鑽頭與鈦合金有抱死的傾向( 扭矩表跳動、切削力突然加大) 。

       因為鈦合金化學活性高, 切削（xuē）溫度升高的條件下, 鈦吸（xī）收大氣中的氧、氮、氫等元素而形成氧化鈦、氮化鈦和氫化（huà）鈦薄膜, 使表麵層硬化、變（biàn）脆、降低了塑（sù）性, 加大了加工硬化程度, 所以造成了擴孔時鑽頭磨損, 特別（bié）是（shì）在原底（dǐ）孔直徑處磨損更為嚴重的現象。

       ( 4) 鏜孔<27. 8mm 單頭高速鋼鏜（táng）刀粗鏜,<28mm 單頭高速鋼鏜刀精鏜, 主軸轉速在170~ 200 轉, 加工方式G86 固定循環。加工效果: 刀具磨（mó）損快, 孔的尺寸精度、光潔度都難於（yú）保證,且加工效（xiào）率極低。

       原因分析（xī）: 鏜孔難於保證精度（dù）, 一是因為前序加工鈦合金化學性質造成的硬化, 二是因為前序鑽頭刃帶與孔壁間產（chǎn）生摩擦造成的加工硬化, 導致刀（dāo）具磨損加快。

       3 刀具的改進

       基於上述分析（xī）, 使用深孔鑽固（gù）定（dìng）循環（huán）G83 指令, 根據實際加工情（qíng）況調整（zhěng）每次鑽（zuàn）削進給（gěi）量, 有（yǒu）效地解（jiě）決了加工（gōng）鈦合金的鑽孔倒屑難和（hé）刀具過熱磨損（sǔn）加快的現象。但是（shì）鑽孔時仍存在噪聲大、切削力大且不穩（wěn）定的問題。因（yīn）此, 必須（xū）改（gǎi）進鑽頭幾何角度。鏜孔難於保證加工質量, 改用自行（háng）研製的基於四刃硬質合金立（lì）銑刀的<28mm 鏜- 擴鉸刀。具體（tǐ）措施如下:

       ( 1) 修磨鑽頭。因標準鑽頭的倒錐度比較小（xiǎo）, 加工（gōng）大孔時（shí）孔收縮量較大, 會造成鑽頭後麵刃帶與孔壁間產生摩擦（cā）, 因此首先對大徑鑽頭的刃帶部分進行修（xiū）磨, 其（qí）方法是: 將標準鑽頭切削刃（rèn）以外原有倒錐角度加大, 增加到標準鑽頭（tóu）的35 倍以上, < 27. 5mm 鑽（zuàn）頭倒錐為0. 7~ 1. 0 mm / 100 mm。為減小切削力, 加（jiā）大切削刃頂角角度, 鑽頭頂角為2Kr = 135b~ 140b。為減小軸向切削力, 將鑽頭的橫刃部（bù）分修磨成S 形, 如圖3 所示。主切（qiē）削刃修（xiū）磨時跳動量（liàng）需控（kòng）製在0. 05mm 之內, 以免形成單刃切削。主切削刃後角應大於12b, 因為主切削刃（rèn）與刃帶的（de）交點附（fù）近應（yīng）力最為集中（zhōng）, 且冷卻不（bú）好, 會（huì）引起鑽頭切削刃過熱導致退火, 造成刀具磨損, 所以將交點處用砂輪輕（qīng）輕地磨出一（yī）個小的過渡圓弧（hú）r = 0. 5~ 1mm 左（zuǒ）右, 這樣即（jí）可以防止尖點退火又可以減少尖（jiān）點蹦（bèng）刃。

       ( 2) 鏜孔改為鏜- 擴- 鉸孔。因為單頭高速鋼鏜刀無法（fǎ）保證鏜孔的質量, 且效（xiào）率極低。為（wéi）了改變這一現象, 對（duì）四刃硬質合金立銑刀進行（háng）了改（gǎi）造, 如圖4 所示。加（jiā）工孔時, 立銑刀的四個底刃相當於四刃鏜刀, 而立銑刀的四個立刃對孔又形成了鉸孔, 從而（ér）即提高了加工孔的質量, 又提高了加工效率（lǜ）。特別應提出的是由於在切（qiē）削力作（zuò）用下鈦合金會產生較（jiào）大的彈性恢複, 使刀具的實際切削後角減小, 進而導（dǎo）致後刀麵與加工表麵間摩擦加劇,切削（xuē）力增大, 因（yīn）此必須進行立刃後角修磨, 使其大於12b, 底刃（rèn）後角大於10°。

       4 加工工藝的改進

       通過對鑽頭幾何（hé）角（jiǎo）度的改進, 大大降低了加工（gōng）時因鑽頭刃帶與孔壁摩擦產生的噪聲, 切削力平穩。但（dàn）還是伴（bàn）有一定的噪聲, 擴孔鑽頭在原底孔處仍存在嚴重磨損現象（xiàng）。經過多次反（fǎn）複實驗, 去掉了<12mm 鑽（zuàn）底孔（kǒng）和<20mm 鑽頭擴孔工序, 加大了中心孔（kǒng）的直徑和孔的深度（dù）, 將<27. 5mm 鑽頭的橫刃部（bù）分修（xiū）磨（mó）成S形, 減小了鑽頭橫刃, 增（zēng）強了定心作用。直接用<27. 5mm 鑽頭鑽孔, 仍使用加工深（shēn）孔固定循環（huán）G83 Z- 75. 0 R5. 0 Q2. 0, 大孔一次加工（gōng）到尺寸。實驗結果表明（míng）: 加工效果（guǒ）非常（cháng）好（hǎo）, 噪聲小, 且切削（xuē）平穩, 鑽頭沒有明顯磨（mó）損, 效率大大提高。

       使用自行改造的鏜- 擴- 鉸刀, 並且采用了G86 Z- 80. 0R2. 0 F30 S200 鉸（jiǎo）孔固定循環。特別要（yào）注意的是鏜- 擴- 鉸孔時, 提刀絕對不能以G00 的正常速度( 3m/ min) 快速提（tí）刀, 因為（wéi）鈦合金彈性（xìng）恢複, 孔收縮量較大, 使刀具受到較大的徑向力作用,所以要將機（jī）床控製麵板上控製G00 實際運動速度的旋鈕, 調整（zhěng）到F 0( 機（jī）床內部（bù）設定一般為100~ 300mm/ min) 以這樣較慢的速度提刀（dāo）, 確保安全、正常加（jiā）工。實驗結果: 加工效果非常好, 噪聲很小, 且切削平穩, 刀具無（wú）磨損, 效率大大提高, 完全達到圖紙精度要求。

       改進後的加工（gōng）工藝為:

       ( 1) 用高速鋼中心鑽(<5mm) 打中心孔鑽孔深度5mm。

       ( 2) 用<27. 5mm 高速鋼鑽（zuàn）頭, 用固定（dìng）循環（huán）G83 直接鑽孔一次完成。

       ( 3) 用<28mm 四（sì）頭鏜- 擴- 鉸（jiǎo）刀, 用固定循環G86 鏜- 擴- 鉸（jiǎo）孔一次（cì）完成。

       5 優化（huà）切削參數

       利用加工中心（xīn）的可編（biān）程性, 切削進給量和主軸轉數可隨時（shí）調（diào）整之特點, 首先從切削速度開始實驗。預先通過（guò）計（jì）算設定一個（gè）主軸轉數, 高速鋼鑽頭的切削速度（dù）V = 15m/ min, 每刃（rèn）進給量f = 0. 02~ 0. 05mm/ r, 使用固定循環G83 Z- 80. 0 R5. 0 Q1. 0。實驗時主要觀察噪聲、振動、切削力, 切削刃磨損等因素的變（biàn）化情況。利用（yòng）G83 每次抬刀至（zhì）工（gōng）件表麵之（zhī）上時（shí）, 暫停程序, 主軸停（tíng）轉, 觀察鑽頭（tóu）切削（xuē）刃的磨損情況, 如果切削情況不理想, 可以適當降低主（zhǔ）轉速和切削進給量, 經過（guò）幾次調試達到最佳狀態。切削速度基本確（què）定以後, 進給量f 和G83 每次鑽進量Q 值可以同時調試, 這時的考核指標是效率最高、磨損最小。通過若幹孔的加工實驗, 可尋找出一個比較理想的切削（xuē）參數來。每刃進給量f = 0. 05~ 0. 1mm/ r, Q = 2~ 4mm, 觀察刀尖有無過熱、退火現象, 有則適當減小Q 值。

       預先設定一轉數, 並通過計算和實驗, 確定（dìng）鏜（táng）- 擴- 鉸刀（dāo）切削參數。硬質合金刀具的切削速度V = 22~ 25m/ min 左右, 每刃進（jìn）給量f = 0. 02~ 0. 05mm/ r; 使用鏜鉸（jiǎo）孔（kǒng）固定循環G86 Z-80. 0 R2. 0F20~ 40 。這時考核指標是光潔（jié）度高、效（xiào）率高、磨（mó）損小。鏜- 擴- 鉸孔時, 控製鈦合金孔（kǒng）的溫升不能過（guò）高（gāo）, 提刀時將（jiāng）G00 控製旋（xuán）鈕調到F0 檔( 機床內部設定一般為100~ 300mm/min) , 防（fáng）止提刀過快（kuài）給加工帶（dài）來危險。

       優化加工切削參數如下:

       ( 1) φ5. 0 中心鑽, V = 12m/ min; F = 20mm/ min。

       ( 2) φ27. 5mm 鑽頭, V = 12m/ mi; f = 0. 06mm/ r, G83 Z- 75. 0R5. 0 Q2. 0 F20 S150。

       ( 3) φ28mm 鏜- 擴- 鉸刀（dāo）, V = 17. 5m/ min; f = 0. 04mm/ r, G86 Z- 80. 0, R2. 0 F30 S200。

       6 結論

       ( 1) 了解（jiě）鈦（tài）合金（jīn）材料的（de）加工特性, 特別要注意引言中提到的鈦合金特（tè）性( 1)、( 2) 、( 3)、( 6) 。

       ( 2) 正確選用刀（dāo）具（jù）的幾何角（jiǎo）度（dù）, 加大刀具後（hòu）角是（shì）關鍵。克（kè）服因鈦合金（jīn）回彈使刀具切削的實際後角減小（xiǎo）, 加劇後刀麵與加工（gōng）表麵（miàn）間（jiān）的摩擦（cā）這一現象, 可以提高刀具耐用度。大直徑鑽頭要加大倒（dǎo）錐角度。

       ( 3) 合理安排加工工藝, 盡量減（jiǎn）少（shǎo）工序, 加工（gōng）餘量不應過小, 否則, 加工硬化會給下一道工序造成加工困難。

       ( 4) 正確選擇加工中（zhōng）切削用量, 切（qiē）削速度是（shì）影響刀具壽命的最（zuì）關鍵因（yīn）素, 切削刃過熱（rè）而（ér）引起磨損是刀具磨損中的（de）主要因素, 所以使（shǐ）用（yòng）普通刀具盡（jìn）量采用低（dī）速切削。

       ( 5) 切削加工時冷卻要充分, 切削熱（rè）是加工（gōng）鈦合金中需要注意的重要問（wèn）題（tí）。

       以上經驗具有普遍意（yì）義, 在普通（tōng）加工（gōng）機床上也具有參（cān）考價（jià）值。在加工中心、數控機床上加工鈦合金應充（chōng）分發揮數（shù）控機床的特性, 選（xuǎn）擇最佳切削（xuē）用量（liàng）, 使加工效率達到最高。