钛：地球之子（Ⅱ）

在上一期中，我们探讨了钛的历史，以及在钛加工中如何实现令人满意的刀具使用寿命。不过，如果没有可靠的方法来抓住那些工具、安全地夹紧工件以及可靠精确的机床来支持刀具路径，即使是最好的刀具和刀具路径也有可能失败。成功的钛加工需要所有这些条件甚至更多，例如可预测的过程控制也同样重要。

方法和手段

让我们先来看看机床。在理想状态，数控车床和加工中心受到压力时不会偏转。车间温度变化时机座不会膨胀或收缩，并且切削过程中的热不会影响主轴和机床导轨。车间可以买到适合切割铝、钢、铁、高温合金的“万金油”机床。遗憾的是，这是一种幻想。一般来说，高端设备能在更广泛的切削条件下表现更好。在强力切削时，复合型硬轨和齿轮主轴箱一般更有效，而线轨和直驱式主轴则最适合有色合金，例如铝和镁，以及用于铸模型腔和医疗设备零部件的高速轮廓加工。

钛的重量大约比铝高50%，强度是后者的两倍。尽管具有优越的性能，但是钛的制造和加工非常昂贵，所以主要用于关键的机身结构、发动机零部件和其他要求高强度和低重量的地方。这两种金属都是航空航天零部件最常用的材料，通常需要进行大量的材料去除，因此加工效率非常重要。不幸的是，两者在这个方面并不相似。

机床必须非常稳固以承受钛加工遇到的极端的切削力。切削速度普遍较低，进给速度相对较高。这就要求大的主轴扭矩和轴向推力，并且由于刀具的突发动作和转角时的停顿住宅的角落里是钛加工的一大禁忌，那么传动系统的响应能力也必须具备。此外，尺寸合适的HSK或类似的双面/锥度主轴接口要比设计用于CAT和BT法兰式工具的更有效地应对重负载情况。

无论你的机器是新的还是旧的，定期调整是必不可少的。主轴牵引力应该经常测量，并且根据需要来进行调整，消除震颤和工具碎屑引起的许多问题。不管机器加工的是什么材料，通过定期的球杆仪或激光测量来尽量减少轴向间隙和径向跳动，是一个好方法。同样重要的是保持清洁，以确保合适的导轨润滑以及防止切削液污染。

成型

刀片的几何形状在钛加工中也扮演着重要角色。圆形的刀片表现很好，因为会产生切屑减薄，获得更大的切削表面以吸收热量。要避免刀具在转角时的停顿，否则会出现震颤和加工硬化的情况，可能会导致刀具破损。正方形或多边形的刀片也是一种选择，它能提供保持低于或等于45°的接近角，这样可以实现有效的切屑减薄。

如果是凹槽铣削，长刃可转位刀片铣刀通常是最好的选择，它能提供足够的切屑间隙。如果不是，应该使用大螺旋立铣刀或可换刀头铣刀。在任何情况下，必须保证排屑通过连续不断的切削液，最好是在高压下。有更多齿的铣刀往往最有效，因为钛适合小切削深度(DOC)和相对较高的进给速度。而且，始终在铣刀上保持几个刀齿的啮合能减少颤振并提高刀具使用寿命。在立铣刀和钻头上追求偏心或双刃带后角，虽然花费有点高，但在钛的严苛的切削条件下能持续更长时间。

另一个考虑因素是刀具的实际结构，特别是含有刀片的刀片槽。钛合金的切削力是相当高的。如果刀柄不适用于此类作业，可能会导致刀片在强力切削或是进出工件的过程中发生轻微转向。应尽可能地为刀柄在刀片下配备垫片，因为这些能提供更大支撑。可靠的夹紧机构和坚硬的刀体也是必需的。

可预测的过程

你也许在想，太好了，按照你刚才的说法，我那台旧的加工中心可以用于钛加工。好吧，也许是这样，老掉牙的机床也可以用于切割钛，而诀窍就是开发一个可预测的过程。通过密切监测刀具、钻头和刀片的磨损，在工具变钝之前就定期按照预定的时间间隔进行更换，这样可以避免对零件的质量产生负面影响或发生断裂。尽可能确保使用最佳的切削刀具。与您的顶级供应商合作进行切削试验，记录结果，一旦确定供应商，在项目的持续期间应该继续使用该品牌和款式的工具。

对于夹具，通过预加工工件毛坯来定位表面缺陷和毛刺，可以避免不可预知的零部件动作。使用气动或液压夹具是极好的方法，可以消除过程变量， 减少操作者的疲劳。如果必须使用机械式夹具，务必使用扭矩扳手，这样在加工下一个零部件时能确保使用同样大小的力。

刀柄是钛加工能否成功的另一个关键因素。在粗加工昂贵的钛坯料时，立铣刀的拉出足以让资深的机械师夜不能寐。保养得当的液压刀柄是一种解决方案，不过具有专用的防拉出设备的刀柄对于强力切削来说是最好的选择。

使用具有强化刀片槽的刀体以及安全的夹紧机制。这能防止轻微转向的发生，而后者经常导致工具破损和突发过程。共轴连接的刀具虽然稍贵，但是能提供更好的结果。快换刀柄是一种节约时间的好方法，特别对于电脑数控车床来说，工具转换时间通常更长。

迈向成功

正确的切割工具和刀柄、可靠的夹具、稳固的机床和正确的刀具路径，这些都是钛加工获得成功的重要因素。同样重要的是要有一个好的加工方案。对那些只有通用的工具和设备的车间来说，请不要绝望。不太理想的加工条件使得较浅的切削成为必要，但是只要你能确保一个稳定的过程，同样可以到达“终点线”。

虽然是件麻烦事，但良好的文档记录是提前发现问题的关键所在。跟踪所使用的进给和速度，了解它们改变的时间和原因，使用了哪些切削刀具，分析失败和“临近失败”的根本原因。

请记住，对于钛加工，即使一个稳定、可预测的过程是非常重要的，也不能忽略持续改进。随着航空航天工业更加注重轻量化和燃油效率，钛的加工是不可能避免的。这意味着切割工具和工具制造商将继续他们永无止境的探索去寻找一个更好的“捕鼠器”，来驯服这个“野孩子”以及其它硬质材料。