难加工材料数控加工

随着科学技术的发展，钛合金、高温合金、超高强度钢、陶瓷材料、复合材料等难加工材料在航空、航天、舰船、兵器、核能等国防工业中的应用越来越广泛。同时，新产品、新装备研制的周期明显缩短，型号数量增多、批量减少的发展趋势要求制造企业必须改善零件加工质量，提高加工效率，降低消耗。难加工材料的切削加工具有切削力大、切削温度高、加工硬化倾向大、刀具磨损大等特点，不仅切削效率低，而且刀具寿命短，一直是切削加工中的难题。为此，广泛开展难加工材料高效加工技术的研究和推广应用，对于提高企业竞争力具有十分重要的现实意义。

常用的工件材料类别如下：

> 一般钢材---普通碳钢、合金钢、工具钢

> 淬火钢

> 不锈钢

> 铸铁---灰铸铁、球墨铸铁

> 钛合金

> 高温合金---镍基合金、钴基合金

> 有色金属---铜合金、铝合金

> 复合材料

所谓难加工材料，就是切削加工性差的材料，即硬度高、强度高、延伸率高、冲击值大、导热系数小的材料。但在日常生产中，切削加工所用的材料种类很多，性能各异，对于某一种类材料性能并非全面达到或超过以上指标，其中一项或两项超过以上指标者，也是难加工材料。常用难加工材料有五大类，即高温合金（包括铁基、镍基和钴基三大类）、钛合金、不锈钢（如奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢）、超高强度钢、以及高温结构陶瓷材料等。

材料切削加工性的衡量指标通常有四种标志方法：刀具耐用度T、已加工表面质量、单位面积切削力、断屑性能。

超高强度钢难加工材料加工特点。如38CrNi3MoVA、 40CrNi2Si2MoVA 超高强度钢，其半精加工、精加工和部分粗加工常在调质状态下进行。调质后的金相组织为索氏体或托氏体，硬度高达HRC55。一般σs>1GPa或σb>1.1Gpa的结构钢，称为高强度钢；σs>1.2GPa或 σb>1.51Gpa的结构钢称为超高强度钢。与普通碳素结构钢相比，高强度钢、超高强度钢的强度高，导热系数偏低，故切削力大，切削温度高（比45钢高出100～200℃），刀具磨损快，使用寿命短，断屑亦稍难。

超高强度钢必须采用耐磨性强的刀具材料。按粗加工、半精加工、精加工的要求，应分别采用不同牌号的YT（P）类硬质合金，最好是添加钽、铌的牌号。高速精加工时，应采用高TiC含量并添加工钽铌的YT类合金、TiC基和Ti（C，N）基硬质合金，涂层硬质合金和复合Al2O3陶瓷等。刀具前角应较小。在工艺系统刚性允许的情况下，应采用较小的主偏角和较大的刀尖圆弧半径。切削用量，尤其是切削速度，应比加工中碳正火钢时适当降低。尽量采用切削液与断屑措施以改善切削条件。

高温合金和不锈钢材料加工特点。不锈钢按金相组织分，有铁素体、马氏体、奥氏体三种。奥氏体不锈钢的成分以铬、镍等元素为主，淬火后呈奥氏体组织，切削加工性比较差，表现在：

> 塑性大，加工硬化很严重，易生成积屑瘤而使已加工表面质量恶化。切削力约比45钢（正火）高25%。加工表面硬化程度及硬化层深度大，常给下序带来困难。且不易断屑

> 导热系数小，只为45钢的1/3，产生的热量不易传出，所以切削温度高。

> 由于切削温度高，加工硬化严重，加上钢中有碳化物（TiC等）形成硬质夹杂物，又易与工具发生冷焊，故刀具磨损快，使用寿命降低。

YT类合金刀具不宜用于加工奥氏体不锈钢和高温合金，因为YT类硬质合金中的钛元素易与工件材料中的钛元素发生亲和而导到冷焊，在高温下还加剧了扩散磨损。一般宜采用YG类（最好添加钽、铌，如YG6A）、YH类或YW类硬质合金，也可采用高性能高速钢。刀面应磨光，且需采取断屑措施。加工奥氏体不锈钢时，宜采用较大的前角（γ0=15～30°以减小切削变形）与中等的切削速度（50～80m/min，硬质合金）。加工高温合金时，宜采用偏小的前角（γ0=0～10°，以提高切削刃的强度）与偏低的切削速度（ 30～40 m/min，硬质合金）不论加工奥氏体或高温合金，切削深度和进给量均宜适当加工，避免切削刃和刀尖划过硬化层。

针对钛合金、不锈钢、超高强度钢等难加工材料的切削，使用的刀具材料主要是细晶粒硬质合金、超细晶粒硬质合金和高性能高速钢，应特别注意刀具材料（包括其涂层）与工件材料的匹配，实践证明，钛合金切削加工中，常规涂层对提高刀具性能方面没有明显作用，必须寻找新的涂层及涂层工艺。

> 钛合金的加工方法切削速度不宜过高（40～60m/min）：切削速度过高会产生大量切削热，导致刀具寿命降低。

> 缩短刀具与工件的接触时间：刀具与工件接触时间越长，产生的热量就越多，会导致刀具寿命降低。而刀具直径越大，接触时间就越长，因此在允许的范围内，应尽可能使用小直径刀具。

> 减小切削宽度：切削宽度越大，接触时间越长，会增加发热量。因此，加工时不宜加大切削宽度，而通过增加切削长度来提高加工效率。使用长刃刀具等对于粗加工很有效。切削宽度小的台肩铣削能减少切削热，使提高切削速度成为可能。

> 充分使用切削液，提高冷却效果：尤其是15MPa以上的超高压切削液。

> 使用45°主偏角刀具：只要工件形状允许，尽可能使用45°主偏角的刀具，以减薄切屑，延长刀具寿命。

难加工材料数控加工需要解决的关键技术问题如下：

（1） 数控加工仿真及数控程序优化技术；

（2） 加工难加工材料的先进刀具的选用和切削参数优化；

（3） 加工难加工材料的切削理论研究；

（4） 数控加工工艺技术；

（5） 基于毛坯加工及毛坯残留的数控编程与加工技术

难加工材料数控加工编程要点

> 刀具加工过程采用顺铣，尽量避免逆铣。

> 在加工中拐角减速，减速值为正常进给率的40%到70%。编程采用高速铣加工模块，所有转角执行R1-R3圆弧过渡连接，避免瞬间急转弯。

> 在粗加工半封闭槽或型腔的时候刀具不应超出工件外，刀具直径的20%到30%。

> 槽加工宜采用摆线加工方式。

> 先用直径大的刀具加工，再用直径小的刀具对拐角进行插铣，为精铣创造好条件。

> 粗加工时注意工件变形，注意陡壁加工、 分层加工、进退刀控制、 对称加工策略的应用。

小结

> 切实掌握常用五大类难加工材料的加工特点。

> 材料切削加工性的衡量指标、具体判据。

> 改善难加工材料切削加工性的措施。

> 掌握难加工材料数控加工关键技术及编程要点。

> 难加工材料数控加工刀具选择。

> 通过实例掌握常用航空难加工材料的切削参数和工艺方法。