1 、序言

鈦合金是航空航天領域常用的難加工材料之一。鈦合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好及高溫和低溫性能好等一系列優點，被大量應用于航天、航空、醫學、航海和汽車等行業[1]。 TA15材料是常見的鈦合金牌號，其屬于高Al含量的近α型鈦合金，具備α型鈦合金良好的熱強性及可焊性，又具有接近α+β型鈦合金良好的工藝塑性。未退火時，TA15 具有中等的室溫和高溫強度、良好的熱穩定性以及焊接性能，相比 TC4 鈦合金具有更高的室溫、高溫強度以及焊接性能，硬度稍大于40HRC。

由于鈦元素化學活性大、材料彈性模量低、切削溫度高、切屑和刀具的前刀面接觸面積小、摩擦系數大且加工硬化嚴重，導致TA15鈦合金加工性能較差[2]。 TA15鈦合金銑削加工時應當注意刀具選擇，在深腔銑削時要注意加工策略的選擇。

2、 TA15鈦合金銑削加工刀具選擇

TA15鈦合金銑削加工要求刀具應當保持較小的切削力、較強的耐熱性及抗磨損性。在選擇加工刀具時應當遵循以下原則。

2.1 轉位刀片式銑削刀具涂層的選擇

鈦合金加工的難度主要為切削溫度高，材料導熱性差造成刀具磨損快，壽命低。刀具涂層能減少刀具材料與鈦合金之間的摩擦，減少切削熱；也能屏障切削熱對刀具的影響[3]。因此加工鈦合金刀具的壽命多取決于涂層的選擇。

刀具涂層分為P V D（物理氣相沉積）涂層、CVD（化學氣相沉積）涂層。CVD涂層能有效抵御切削過程中高溫的影響，適宜于粗加工刀具；PVD涂層厚度較小，有利于保證刀具幾何精度，適宜于精加工刀具。鈦合金加工需要鋒利的刀具刃口，減少切削力及切屑與刀具的摩擦。因此優選PVD涂層。

涂層材料推薦使用AlTiN，與單一的TiN涂層相比，具有很高的高溫硬度和優良的抗氧化性能，在切削過程中涂層中的Al元素氧化生成化學性質穩定的Al2O3，對刀具起到保護作用。AlTiN目前已經成為新一代優質刀具的主流涂層選擇，成本較低，經濟性較好。

基于此，鈦合金銑削刀具優選PVD+AlTiN涂層。常見刀具品牌中，伊斯卡刀具推薦采用涂層牌號I C882，山特維克可樂滿刀具推薦采用涂層牌號G C1025，肯納金屬刀具推薦采用涂層牌號KC5525。

2.2 轉位刀片式銑削幾何參數的選擇

（1）主偏角的選擇 主偏角的不同影響主軸方向施加力、切屑厚度等。圖1所示為常用不同主偏角。

90°主偏角能直接加工出垂直臺階面，具備通用性強的特點，切削力完全沿徑向，隨著主偏角的減少，切削力沿軸向的分力越來越大。

銑削深腔或大深度臺階面時，刀具懸深較大，刀桿剛性較差，不適于選擇90°主偏角。隨著主偏角減少，同等進給量條件下，切屑厚度大大減少；根據現行薄切屑理論，主軸沿X、Y方向切削力大大降低，可選擇大進給量、小切削深度、一定切寬的加工策略[4]。這也是目前大進給量銑削刀具的理論基礎。選用小直徑銑刀刀柄、快進給刀片和強力夾持夾頭組成的刀具系統，在實現高效加工的同時，體現了較好的經濟性。小直徑快進給刀具系統如圖2所示，其相應刀片幾何參數及性能參數如圖3所示。

主偏角的選擇優選小主偏角，推薦使用主偏角為10°～25°的快進給銑刀。

（2）軸向前角、徑向前角的選擇 軸向前角、徑向前角按其角度值的正負進行組合，分為正負、正正、負正、負負多種組合。鈦合金加工應優選正軸向前角、正徑向前角，能減少切削力，排屑遠離零件，適宜加工如鈦合金等硬度較低的金屬材料[5]。

（3）齒距及齒數 為抑制刀具切削過程中產生的振動，推薦使用不等齒距刀具。圖4為不等齒距離示意。鈦合金加工過程中不推薦使用密齒刀具。

2.3 整體硬質合金銑削幾何參數的選擇

整體硬質合金銑刀在加工鈦合金時，除上述刀具涂層原則、不等齒距原則和正徑向前角原則，還應注意螺旋升角的選擇。

大螺旋升角意味著刀具切削過程更大的切削刃長，帶來更大的接觸面積，抑制刀具切入切出帶來的振動，從而提高刀具壽命。太大的螺旋升角不利于刃口強度，因此螺旋升角應適當地大，推薦30°～40°。圖5所示為螺旋升角對切削刃長的影響示意。

3 、TA15鈦合金零件銑削加工實例

某零件三維結構如圖6所示，材料TA15，在首次加工中主要存在的問題：一是加工深腔過程中，刀具易折斷；二是切削余量較大，加工過程中刀片磨損嚴重。

為解決上述問題，從刀具選擇及加工策略兩方面進行改進。

3.1 刀具型號選擇

依據本文提及的刀具選用原則，在轉位刀片式銑削時，選擇快進給刀具減少刀具磨損。

加工深腔特征目前使用刀片及刀桿情況見表1。

實際使用中刀具磨損特點如下所述。隨著加工時間變長，后刀面磨損經歷了刀具涂層脫落→刀具刃口發生磨損，出現白色的磨損帶→磨損帶寬度加大，刀具刃口出現鋸口狀崩刃→刀具刃口磨損寬度變大，刀具刃口在最大切削深度附近出現月牙狀磨損，刀具基本失去切削能力，切削時機床振動加劇，主軸負荷百分比迅速增加。

在刀具不同磨損階段，切屑狀態不一致，如圖7所示，左側為磨損后期，切屑首部及尾部對應刀具的切入、切出加工階段，形成不規則的分叉及翻邊；右側為刀具未磨損狀態，切屑首部及尾部光順。

3.2 加工策略的改進

改變編程方式、走刀方式及最大程度降低刀具徑向所受切削力，采用深腔動態銑削和插銑清根的組合方式進行探索嘗試。

下面以一個典型深腔（圖6紅色標注部位）加工特征進行詳細說明。加工特征：腔深180mm，拐角圓角半徑8.5mm，根部圓角2mm，采用正常腔銑削時，走刀路徑采用Outward helical，所購某品牌快進給刀具f16mm進給率最高120mm/min，拐角降速50%，切削深度最高0.8mm，轉速400～600r/min，加工過程中直接折斷，加工側壁出現過切及啃刀現象。采用動態銑削時，走刀路徑采用Concentric，進給率180mm/min，切削深度1mm，轉速600r/min，走刀路徑仿真如圖8所示。實際仿真效果如圖9所示，動態銑削后拐角處有殘留（綠色部分），刀具刀片及刀桿壽命良好，加工側壁質量良好，拐角處刀具切削狀態良好。拐角處殘留采用插銑來最大程度降低刀具徑向所受切削力，提高刀具的使用壽 命。拐角處插銑路徑仿真如圖10所示，實際仿真效果如圖11所示。插銑切削參數轉速600r/min，進給率200mm/min。

4、 注意事項

鈦合金零件銑削加工過程中注意刀具選擇及加工策略選擇。

1）刀具選擇應優選PVD+AlTiN涂層，不等齒距、正徑向前角；轉位刀片選擇注意正軸向前角；選用小直徑銑刀刀柄、快進給刀片和強力夾持夾頭組成的刀具系統；整體硬質合金刀具選擇較大螺旋升角。

2）深腔加工過程中，通過改變編程方式、走刀方式及最大程度降低刀具徑向所受切削力，采用深腔動態銑削和插銑清根的組合方式進行探索嘗試，有效解決了刀具斷刀及刀片磨損的情況，同時零件加工質量得到有效保證。

5、 結束語

通過在現場反復試驗、摸索參數、改變策略，形成以上可行有效的加工方案，一定程度上解決了TA15材料零件的加工問題。該方案的順利完成可以直接推廣到多項產品中，對后續鈦合金類零件的加工過程控制具有非常重要的借鑒和指導意義。

參考文獻：

[1] 陳爽，張葆青，閆石. 鈦合金加工特性分析及刀具選擇[J]. 工具技術，2011，45（4）：58-62.

[2] 江洪，張曉丹. 國內外鈦合金研究及應用現狀[J]. 新材料產業，2017（3）：7-10.

[3] 金屬加工雜志社，哈爾濱理工大學 . 數控刀具選用指南[M]. 2版. 北京：機械工業出版社，2018.

[4] 黃天佑. 材料加工工藝[M]. 2版. 北京：清華大學出版社，2010.

[5] 孫康寧，張景德. 工程材料與機械制造基礎 上冊[M].3版. 北京：高等教育出版社，2019.

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