CN113510283B

CN113510283B - 一种钛合金材料的切削刀具与切削工艺

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Publication number: CN113510283B
Application number: CN202110800862.2A
Authority: CN
Inventors: 岳锋; 张建强; 郭宏颖; 宋军; 李俊杰; 杨冬; 郝青华; 付铭; 李志俊; 段爱平; 冀晓燕; 吕智; 刘耀; 李剑锋; 赵晓波; 关伟; 张汉夫; 李国梁
Original assignee: Inner Mongolia First Machinery Group Corp
Current assignee: Inner Mongolia First Machinery Group Corp
Priority date: 2021-07-15
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2041-07-15
Also published as: CN113510283A

Abstract

本发明涉及一种钛合金材料的切削刀具和切削工艺，该切削刀具包括刀体和多个刀片；刀体2外周上设置有多个排屑槽5，排屑槽5为右旋螺旋槽，且多个排屑槽5的螺旋角大小不同，多个刀片分别固定在多个排屑槽5上，每个排屑槽5上的多个刀片是均匀分布，相邻2个排屑槽5上刀片错开排列，排屑槽上的每一个刀片的切削刃处都设置有内冷孔4，刀体中心孔为主内冷孔7，主内冷孔7与所有内冷孔4连通。切削工艺中粗加工和半精加工均采用摆线铣加顺铣的顺铣路径。本发明实现了钛合金材料最大限度去除余量的高效加工方法，提高加工效率；避免采用微量铣削方式，切削温度超过600℃时，容易引起钛合金切屑自燃的安全问题。

Description

一种钛合金材料的切削刀具与切削工艺

技术领域

本发明属于属于金属材料机械加工技术领域，具体涉及一种钛合金材料的切削刀具与切削工艺。

背景技术

钛合金被视为“全能金属”，具有比强度高、耐腐蚀、热稳定性等特性，是高机动性装备，轻量化制造的优选材料之一。但钛合金材料的机械加工性能比较差，加工效率低，属于难加工材料。

钛合金工艺通常采用“端铣”和“侧铣”。钛合金在切削过程中，具有刀屑接触长度短、导热性差、化学亲和力大、弹性模量小等特点。传统的铣削方法：(1)采用外冷式钨钛钴类(YT)硬质合金铣削刀具，存在冷却不充分，刀具磨损快等不足；(2)采用传统的“端铣”、“侧铣”等小背吃刀量铣削，切削速度一般小于20m/min，加工效率极低，尤其不利于工件去除大余量粗加工。(3)为满足材料去除率，靠增大刀具啮合角，导致刀具与工件的接触时间长，切削温度升高，刀具使用寿命变短。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金材料的切削刀具与切削工艺，实现了钛合金材料最大限度去除余量的高效加工方法，提高加工效率；避免采用微量铣削方式，切削温度超过600℃时，容易引起钛合金切屑自燃的安全问题。

本发明的技术方案是，一种钛合金材料的切削刀具包括刀体和多个刀片；

刀体2外周上设置有多个排屑槽5，排屑槽5为右旋螺旋槽，且多个排屑槽5的螺旋角大小不同，多个刀片分别固定在多个排屑槽5上，每个排屑槽5上的多个刀片是均匀分布，相邻2个排屑槽5上刀片错开排列，排屑槽上的每一个刀片的切削刃处都设置有内冷孔4，刀体中心孔为主内冷孔7，主内冷孔7与所有内冷孔4连通。

所述刀片的参数如下：前角选γ0＝5°～15°；后角α0≥15°；主偏角，粗加工时Kr≤45°,精加工时Kr＞75°；刃倾角，粗加工时，λs＝-10°～-5°，精加工时，λs＝0°～3°；刀尖圆弧半径取rε＝0.4～1.2mm。

采用权利要求1所述的刀具的一种钛合金材料切削工艺，具体步骤如下：

第一步，工艺准备

采用的数控加工机床具有内冷功能，数控加工机床的操作系统具备执行摆线铣+顺铣NC程序能力，机床具有丝杠螺母间隙调整功能，冷却润滑介质为含S、P和Cl的乳化液或添加极压添加剂的水溶液；

第二步，进行加工；加工过程依次为试加工、粗加工、半精加工和精加工；其中粗加工和半精加工均采用摆线铣加顺铣的顺铣路径。

第1步，试加工运行步骤为，模拟NC加工程序及走刀轨迹，先使用较低的切削速度Vc，逐步调整到最佳25～80m/min，开冷却介质，走刀加工；然后测试能力指数CPK≥1.33、切削功率Pc≥80％Po(机床功率)、金属去除率Q最大。

第2步，正式执行加工程序指令，依次进行粗加工摆线铣粗、加工顺铣、半精加工摆线铣、半精加工顺铣和精加工；粗加工和半精加工切削参数为：切削速度Vc＝25～80m/min，fz＝0.2～0.6mm/r，

第三步，在线检测

在线测量工件的加工尺寸及粗糙度Ra是否达到要求，工件加工表面的粗糙度Ra1.6～Ra12.5，不符合要求调整fz＝0.2～0.6mm/r，

Vc＝25～80m/min，主轴转速S为2500～3000r/min；

第四步，卸掉工件；

第五步，最终检验。

本发明的有益效果是，本发明采用摆线铣+顺铣高效切削工艺方法，实现高效去量粗加工、半精加工，较传统加工方案提高加工效率5倍以上；同时有效避免微量铣削方式时切削温度超过600℃，容易引起钛合金切屑自燃的安全隐患。有效降低了钛合金零件的制造成本，特别适用于加工余量大的工件，对钛合金等难加工材料具有指导意义。

附图说明

图1为为本发明一种钛合金材料的切削刀具的结构示意图；

图2为本发明一种钛合金材料切削工艺中刀具的运行轨迹示意图；

图3为本发明一种钛合金材料切削工艺的流程图。

具体实施方式

下面结说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。

如图1、图2和图3所示，本发明方法是采用钛合金材料的摆线铣+顺铣高效切削工艺方法，在内冷功能的数控加工机床上，安装玉米铣刀。玉米铣刀一端设计7:24刀柄，另一端由端盖1(刀杆头部易损，可更换)、刀体2、刀片3等组成。

如图1所示，本发明一种钛合金材料的切削刀具包括刀体和多个刀片。所述切削刀具称为玉米铣刀。

刀体2外周上设置有多个排屑槽5，排屑槽5为右旋螺旋槽，且多个排屑槽5的螺旋角大小不同。多个刀片分别固定在多个排屑槽5上，每个排屑槽5上的多个刀片是均匀分布。相邻2个排屑槽5上刀片错开排列。排屑槽上的每一个硬质合金刀片的切削刃处都设置有内冷孔4，保证每一个刀片都是独立冷却的。

刀体中心孔为主内冷孔7，主内冷孔7与所有内冷孔4连通。即内冷孔4通过每一个分支内冷孔口部6与刀体中部主内冷孔7相通，主内冷孔与机床主轴内冷通道连接。

每相邻两列刀片布置在轴向方向上是错位的，确保前刀片与后刀片切削轨迹不重合，有利于降低刀具切削刃处的温度。可转位硬质合金刀片材质选择添加TaC或NbC的YG类细晶粒或超细晶粒硬质合金，有YS2T、YG813、YG6X等；涂层应选TiAlN、TiAlSi和TiAlN+CrC涂层及金刚石涂层。利用摆线铣+顺铣的切削方式，铣刀轴向切深根据切削刃长度确定，一般可达45mm以上，金属去除率较传统铣削提高5倍以上。

如图3所示，一种钛合金材料切削工艺的具体步骤如下：准备、加工(粗加工，半精加工)，检测

第一步，工艺准备

S1：选择内冷功能的数控加工机床，且数控加工机床的操作系统具备执行摆线铣+顺铣NC程序，机床具有丝杠螺母间隙调整功能，便于采用顺铣方式。装夹工件，多使用辅助支撑，防止工件发生装夹变形。为机床添加乳化液或添加极压添加剂(含S、P和Cl)的水溶液作为冷却润滑介质。

S2：选择刀具

选择上述玉米铣刀，正方体型可转位刀片，刀片材质为高性能超细晶粒硬质合金，其前角选γ0＝5°～15°；后角α0≥15°；主偏角，粗加工时Kr≤45°,精加工时Kr＞75°；刃倾角，粗加工时，λs＝-10°～-5°，精加工时，λs＝0°～3°；刀尖圆弧半径取rε＝0.4～1.2mm。

第二步，加工。加工过程依次为试加工、粗加工、半精加工和精加工。其中粗加工和半精加工均采用摆线铣加顺铣的顺铣路径。

摆线铣加顺铣的刀具径向切深从0到逐渐增大，再从最大到逐渐减小到0，其切削力也随之相应变化，即从0—增大—减小—0，保证刀具公转一周处于切削状态的时间较短，产生切削热较少，刀具磨损慢。使用的玉米铣刀轴向切深根据切削刃长度确定，可达2倍刀具直径以上，提高轴向切深可有效提高材料去除率。

粗加工和半精加工切削参数为：

切削速度Vc＝25～80m/min，fz＝0.2～0.6mm/r，

试加工运行步骤为，

(1)模拟NC加工程序及走刀轨迹。

(2)主轴转速S为2500～3000r/min,先使用较低的切削速度Vc，逐步调整到最佳25～80m/min，开冷却介质，走刀加工。

(3)测试能力指数CPK≥1.33、切削功率Pc≥80％Po(机床功率)、金属去除率Q最大。

正式执行加工程序指令

粗加工(摆线铣+顺铣)、半精加工(摆线铣+顺铣)、精加工分别进行。

第三步，在线检测

Vc＝25～80m/min，主轴转速S为2500～3000r/min。

第四步，卸掉工件

批量制造，要保持工艺装备实现首件加工的定位基准。

第五步，最终检验

由专检人员对所加工的工件进行检测验收。工件合格入库。实现批量制造。

本发明的关键点：

1.采用摆线铣+顺铣的方式高效切削加工钛合金材料的工件。

2.选用全有效齿并带端盖，右旋不等齿距、不等螺旋角的玉米铣刀，并每个刀片独立具备内冷功能。

3.玉米铣刀的刀片为正方体型可转位刀片，刀片材质为高性能超细晶粒硬质合金，其前角选γ0＝5°～15°；后角α0≥15°；主偏角，粗加工时Kr≤45°,精加工时Kr＞75°；刃倾角，粗加工时，λs＝-10°～-5°，精加工时，λs＝0°～3°；刀尖圆弧半径取rε＝0.4～1.2mm。

4.切削参数为：切削速度Vc＝25～80m/min，fz＝0.2～0.6mm/r，

5.测试能力指数CPK≥1.33、切削功率Pc≥80％Po(机床功率)、金属去除率Q最大(是传统铣削方式的5倍以上)。

Claims

1.一种钛合金材料切削工艺，其特征是：采用的切削刀具包括刀体和多个刀片；刀体外周上设置有多个排屑槽，排屑槽为右旋螺旋槽，且多个排屑槽的螺旋角大小不同，多个刀片分别固定在多个排屑槽上，每个排屑槽上的多个刀片是均匀分布，相邻2个排屑槽上刀片错开排列，排屑槽上的每一个刀片的切削刃处都设置有内冷孔，刀体中心孔为主内冷孔，主内冷孔与所有内冷孔连通；所述刀片的参数如下：前角选γ0=5°～15°；后角α0≥15°；主偏角，粗加工时Κr≤45°,精加工时Κr＞75°；刃倾角，粗加工时，λs=-10°～-5°，精加工时，λs=0°～3°；刀尖圆弧半径取rε=0.4～1.2mm；

所述切削工艺具体步骤如下：

第一步，工艺准备

第二步，进行加工；加工过程依次为试加工、粗加工、半精加工和精加工；其中粗加工和半精加工均采用摆线铣加顺铣的顺铣路径；

第1步，试加工运行步骤为，模拟NC加工程序及走刀轨迹，先使用较低的切削速度Vc，逐步调整到最佳25～80m/min，开冷却介质，走刀加工；然后测试能力指数CPK≥1.33、切削功率Pc≥80%Po，Po为机床功率，金属去除率Q最大；

第2步，正式执行加工程序指令，依次进行粗加工摆线铣粗、加工顺铣、半精加工摆线铣、半精加工顺铣和精加工；粗加工和半精加工切削参数为：切削速度Vc=25～80m/min，fz=0.2～0.6mm/r ，ap≤2∅mm；

第三步，在线检测

在线测量工件的加工尺寸及粗糙度Ra是否达到要求，工件加工表面的粗糙度Ra1.6～Ra12.5，不符合要求调整fz=0.2～0.6mm/r ，ap≤2∅mm， Vc=25～80m/min，主轴转速S为2500～3000r/min；

第四步，卸掉工件；

第五步，最终检验。