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圖1 要加工這塊僅有雪茄盒大小的鈦金屬工件對(duì)于現(xiàn)在的加工中心來(lái)說(shuō)并不是難事

鈦銑設(shè)備的機(jī)床通常都采用重型剛性結(jié)構(gòu)以及可以承受低錠速高扭矩的錠子設(shè)計(jì)，大錠子錐度和高壓冷卻劑也很常見(jiàn)，多軸線切割設(shè)備還可能配備高強(qiáng)度耳軸和轉(zhuǎn)臺(tái)。

然而，一個(gè)配備完整40錐度立式加工中心的車間也不會(huì)讓此類制造資源失去進(jìn)行有效順利鈦銑加工的機(jī)會(huì)。工程副總裁Mike MacArthur和切削刀具制造商鈦金屬專家RobbJack一直在推行這一觀點(diǎn)。重要的是，盡管關(guān)于切削刀具的考量?jī)H僅是因?yàn)椋�讓這個(gè)端銑刀能夠有效切削這塊工件系統(tǒng)，為此鈦銑方法就自然而然地成為了重點(diǎn)，他的觀點(diǎn)并不是單純的切削刀具中心論。

“不論一個(gè)車間采用何種工具進(jìn)行鈦銑加工，鈦銑加工的原則是一樣的。近幾年來(lái)有所改變的是以這一原則為基礎(chǔ)的控制變量選項(xiàng)。”MacArthur說(shuō)，“這些選項(xiàng)帶來(lái)了在許多現(xiàn)有加工中心進(jìn)行金屬銑削加工的可用方法。”他補(bǔ)充說(shuō)。具備高度同心剛度握持力的超精確夾具對(duì)鈦金屬加工提出了另一個(gè)要求。配備高壓冷卻劑輸送系統(tǒng)的機(jī)床較為先進(jìn)。當(dāng)然，設(shè)計(jì)用于多種鈦金屬加工操作的端銑刀現(xiàn)在已經(jīng)有了非常多的選項(xiàng)，也有很多切削刀具生產(chǎn)商在生產(chǎn)。

圖2 使用較小的刀具可以減小刀具與工件表面的接觸面積，這樣工具吸收的熱量少一些，這一方法需要有刀位軌跡程序設(shè)計(jì)以及正確的切削速度和力度，以保證小尺寸刀具也可以進(jìn)行有效的材料切削

圖3 控制切刀與工件之間接觸角度的程序設(shè)計(jì)技術(shù)可以保證穩(wěn)定的切削條件。盡管最終確定的刀位軌跡(左)比傳統(tǒng)軌跡包含的切割動(dòng)作更多，這一軌跡卻支持程序員采用適宜于鈦金屬加工的小行距和高軸速

任何關(guān)于鈦銑加工的背景都一定會(huì)涉及熱量問(wèn)題。“要在任何機(jī)床上實(shí)現(xiàn)鈦銑策略的制定，這都是優(yōu)先考慮的對(duì)象，在通用機(jī)床上尤其如此。”MacArthur說(shuō)。過(guò)熱會(huì)很快造成端銑刀刀刃的損壞，并進(jìn)一步破壞剩余切削策略中的“支撐結(jié)構(gòu)”。由于利落的剪切作用可實(shí)現(xiàn)工件表面完整、吸收熱量的同時(shí)刀刃完成流暢旋轉(zhuǎn)的片狀切削，鈦金屬需要采用高強(qiáng)度且鋒利的刀刃。“切削工具制造商有權(quán)進(jìn)行以此為目標(biāo)的設(shè)計(jì)，但是否采用保護(hù)刀刃的措施則取決于車間。”MacArthur說(shuō)。

超酷的刀位軌跡

也許鈦金屬加工中最重要的刀具保護(hù)措施就是采用可以避免過(guò)熱的刀位軌跡和較小的刀刃。涉及銑削槽和寬槽時(shí)，可以利用實(shí)現(xiàn)刀具與工件接觸條件恒定的刀位軌跡算法達(dá)成這一目標(biāo)。今天，大多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助制造軟件的開(kāi)發(fā)商都會(huì)提供此類算法，只是名稱不盡相同。槽中，此類刀位軌跡通常都會(huì)采用一個(gè)規(guī)則的圓錐形套路，刀具會(huì)按統(tǒng)一曲線由槽的一邊向另一邊移動(dòng)，MacArthur聲稱這種統(tǒng)一的弓形移動(dòng)路線很明顯。

圖4 紅點(diǎn)標(biāo)識(shí)的位置是在端銑刀刀刃上開(kāi)口的對(duì)比形式。相對(duì)于右邊的刀具，左邊的離心刀刃在鈦金屬加工中可以實(shí)現(xiàn)更好的支撐作用和刀具保護(hù)

進(jìn)行不規(guī)則形狀銑削槽的切割時(shí)，刀位軌跡算法會(huì)創(chuàng)建一個(gè)可能較難識(shí)別的套路，因?yàn)檫@個(gè)套路乍一看并沒(méi)有反映出銑削槽的側(cè)壁形狀。事實(shí)上，這個(gè)刀位軌跡設(shè)計(jì)利用逐漸加速的循環(huán)弓形材料移動(dòng)軌跡達(dá)到避免刀具走入角落或突然變向。盡管不同計(jì)算機(jī)輔助制造開(kāi)發(fā)商提供的產(chǎn)品在主要細(xì)節(jié)或處理速度上有所不同，但都提供了一個(gè)類似的鈦金屬加工收益——以小尺寸刀具按小行距進(jìn)行高轉(zhuǎn)速切削的能力。

這一方法可以利用輕型刀刃實(shí)現(xiàn)較高的金屬切削速度。輕型刀刃則能夠保證單個(gè)出屑槽與工件的接觸時(shí)間更短，吸收的熱量也就更少。

為了給這個(gè)概念更多的代表性數(shù)字，他描述了以下幾個(gè)樣本試驗(yàn)零件。采用一個(gè)六槽1/2?in直徑的刀具進(jìn)行了一塊6Al4V鈦金屬塊的加工。切削速度為75?in/min及400?ft/min(1?in=25.4?mm，1?ft=304.8?mm)。徑向切削深度為0.05?in(刀具直徑的10%)，軸向深度為1?in(刀具直徑的兩倍)。在這個(gè)范例中，在略少于15?min的時(shí)間內(nèi)共切下了約22?m3的金屬料。為了顯現(xiàn)這一案例中顯現(xiàn)出的金屬切削潛力，MacArthur補(bǔ)充道：“在嚴(yán)格采用此方法進(jìn)行的粗加工操作中，1個(gè)1/2?in直徑的刀具15?min內(nèi)可以在6Al4V的鈦金屬上完成65?m3的切削作業(yè)。”

最重要的是，這一加工參數(shù)的強(qiáng)度和扭矩要求不需要大型“鈦金屬設(shè)備”的性能，過(guò)去五六年內(nèi)生產(chǎn)的大多數(shù)垂直加工設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)。“由于建造商采用了有限元分析和其他先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，最新一代的40錐度加工中心模型的強(qiáng)度和性能都高于舊型號(hào)。”MacArthur解釋道。所以，一臺(tái)保養(yǎng)妥當(dāng)、型號(hào)較新的機(jī)床就可以進(jìn)行鈦金屬加工了。

圖5 圖中三個(gè)較小的端銑刀分別有四個(gè)、五個(gè)和六個(gè)出屑槽。進(jìn)行刀具與工件接觸面積較大的操作編程時(shí)，應(yīng)選用較少出屑槽的銑刀。若允許采用較小的接觸面積時(shí)，可采用較多出屑槽的銑刀

出屑槽截面

當(dāng)然，高強(qiáng)度的鋒利刀刃并不是切削刀具制造商們賦予鈦金屬端銑刀的唯一一個(gè)設(shè)計(jì)特性。常見(jiàn)設(shè)計(jì)原則中包括用于打亂諧波的不平整出屑槽，有利于切屑流流動(dòng)的螺旋出屑槽夾角以及可減少摩擦熱量的平順、光滑、耐磨涂層。刀刃上的向心開(kāi)口同樣是個(gè)典型設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@一設(shè)計(jì)可以在刀刃放置在地面上打磨鋒利時(shí)支撐和強(qiáng)化刀刃。“這并不是說(shuō)所有鈦金屬端銑刀的制造方法都是一樣的。”MacArthur提醒。不論哪個(gè)供貨商，適合用作鈦金屬加工的端銑刀應(yīng)有至少四個(gè)(或更少)出屑槽，至多10個(gè)(或更多)出屑槽。

由于1/2?in或更小直徑的端銑刀最適用于40錐度機(jī)床的功率和強(qiáng)度，四槽端銑刀在較重型的切削和有較多拐角的銑削槽切削中是不錯(cuò)的選擇。15?in/min切削速度、125～200?ft/min是比較平均的四槽端銑刀設(shè)定值，此時(shí)X和Y軸上的行距以刀具直徑的25%為宜。

但是，如果條件允許，由于實(shí)際轉(zhuǎn)速和切削速度通常會(huì)達(dá)到400?ft/min，用直徑基本相同的六槽或八槽端銑刀進(jìn)行開(kāi)口矩形槽的切削也是不錯(cuò)的選擇。相應(yīng)的45～75?in/min的切削速度也說(shuō)明了這一可能性。六槽及八槽端銑刀在解除條件恒定的刀位軌跡上性能尤佳，此時(shí)X和Y軸上的行距應(yīng)在工具直徑的2%～10%之間，切削表面平滑的高速精加工切削也是這種工具的理想操作對(duì)象之一。

夾具

高精度高品質(zhì)夾具是鈦銑的必備裝置。夾具的品質(zhì)會(huì)對(duì)加工操作產(chǎn)生多重影響。機(jī)械刀具主軸的固定夾能夠增強(qiáng)整個(gè)切削刀具組件的硬度。夾具的精度可以最大限度減小滑動(dòng)，也可以在進(jìn)行切削操作時(shí)創(chuàng)造穩(wěn)定的條件。平衡性能好的夾具能夠減小機(jī)床主軸及切削刀具上的應(yīng)力，同時(shí)減少振動(dòng)源。由于鈦銑操作產(chǎn)生的切削力比銑削其他較軟、較松散的切削材料更大，夾具的夾持力至關(guān)重要。

“這種情況中的一個(gè)因素經(jīng)常被忽視或誤解。”MacArthur警告說(shuō)，“那就是刀柄的圓度。”圓度高的刀柄會(huì)補(bǔ)充并增強(qiáng)高精度、高品質(zhì)夾具帶來(lái)的益處。這個(gè)圓度直接影響其與夾具夾面的接觸程度。刀柄的圓度與夾具的品質(zhì)密切相關(guān)，但大多數(shù)關(guān)于夾具要求的討論都忽略了使用高圓度刀具的重要性。

刀柄的圓度對(duì)于小尺寸切削刀具尤為重要，因?yàn)榍邢鞯毒吲c夾具之間的接觸面積會(huì)成比例縮小，接觸面積的任何變化都會(huì)對(duì)夾持力造成巨大影響。

壓力已啟動(dòng)

金屬加工冷卻劑有三個(gè)功能：冷卻、潤(rùn)滑和切屑控制，這三個(gè)功能對(duì)于鈦銑加工都有巨大意義。今天的大多數(shù)加工中心都帶有益于鈦金屬銑削的冷卻劑輸送選項(xiàng)。支持高壓主軸輸送更佳，因?yàn)檫@種輸送方式對(duì)于排屑功能的提升最大，建議配置額外冷卻液孔口及“噴頭”。

為了防止偏轉(zhuǎn)，鈦金屬端銑刀通常都配有厚重的芯材，所以出屑槽之間的凹槽槽道并不十分寬敞。然而，這些槽道足夠容納輕型切削產(chǎn)生的碎屑通過(guò)和排出。即便是出屑空間受限的六槽和八槽刀具也是如此。簡(jiǎn)而言之，大量供應(yīng)高壓冷卻劑可以有效減少碎屑卡在出屑槽中的幾率。

一個(gè)激發(fā)思考的方法

本文推薦了一個(gè)鈦銑加工的使用方法，這個(gè)方法讓車間人員重新考慮新型立式加工中心等現(xiàn)有加工資源的可用性。這一方法非常實(shí)用，因?yàn)槠湓谇邢鞯毒摺�夾具、電腦輔助制造軟件等方面的適宜方案都有明顯的可用性。但是，這一方法也可以被稱作一個(gè)激發(fā)思考的方法，因?yàn)樗�倡�?dǎo)操作者去了解鈦金屬、了解它的特性并以明智的方式應(yīng)用這些基本原則，任何控制鈦金屬加工的認(rèn)真嘗試都必須嚴(yán)格遵循這一倡導(dǎo)。