高效解决难加工材料数控加工问题

　　目前，难加工材料广泛应于各大领域。充分认识难加工材料的性能、切削数控加工的特点，研制先进的刀具及其材料，采用新的数控加工技术，是解决难加工材料加工问题的有效途径。

　　在数控切削加工中，工件与刀具是对立统一的。当一方有了进展或提出新问题时，经常能够推动另外一方发展前进。

　　数控刀具的切削性能，不仅决定于刀具材料，还与刀具的结构及几何形状有关。研制和选用先进的刀具材料、优化切削条件、采用新的切削方法都是解决难加工材料加工问题的有效途径。

　　PCD变形金刚立铣刀

　　钛合金加工

　　正如粗加工和精加工工序必须按照不同的参数规划，对于可转位刀具和整体硬质合金刀具来说，与不同的应用领域联系的钛合金铣削也随之出现。

　　在粗加工铣削中，为了获得最佳金属去除率，轴向切削深度是考虑的主要因素;而在精加工铣削中，必须考虑选择最佳的进给率。在钛合金加工中，无论是粗加工还是精加工工序，尽管切削速度可以有不同水平，但是，它总是受到限制的。了解这些钛合金加工时的基本原则，就可以为优化工序做许多工作，从而使钛合金加工更具竞争力并实现可靠的加工过程。需要考虑的四项关键因素是机床能力、冷却液供给、切削刀具和加工方法。其中，在冷却液供给方面，冷却液质量越高，加工效果越好。事实证明，高压冷却应用(压力范围为标准70-100巴，具体取决于所使用的系统)已显示出其明显的优势。由于高压冷却在许多现代机床上已成为标准配置，因此它是优化钛合金铣削的潜在资源。

　　在切削速度较低的径向铣削时，机床需要有足够的功率和力矩，也要求有合适的主轴，以获得满意的金属去除率。如果机床也使用小直径刀具，则主轴速度范围需要足够高，以获得出色的加工结果。一般来说，需要评估主轴接口，它的联接稳定性不能太弱。铣削刀具的新发展带来的性能提升直接增强了钛合金材料的性能。

　　与普通加工相比，钛合金铣削的方法和编程技术更胜一筹。按照推荐的方法加工圆角和轮廓，可在机床的生产周期和尽量减少废品方面取得与众不同的结果。通常，为确保从一开始就以正确的刀具路径加工，在加工前多花点时间来优化编程，这比选择现成的工艺将起到事半功倍的效果。

　　复合材料机数控加工

　　作为一种工件材料，复合材料加工由来已久的主要挑战是如何提高制造工艺，尤其是机加工。虽然应用于机身或轮船框架性能优异，但各类纤维增强环氧树脂、聚酯和乙烯基塑料，硬度高，难切削，并且不能容忍加工过程中的一点点异常偏差。且预加工附加值高，更不允许废品的产生。

　　目前复合材料切削的首选刀具解决方案是，采用整体硬质合金为基体，薄的PVD金刚石(PCD)涂层或在切削刃处烧结PCD。刀具材料越硬，增强纤维的密度越高，工艺改进的余地也就越大。

　　原因是显而易见的。仅从刀具的角度而言，整体硬质合金刀具具有保证工件尺寸精密公差、位置公差以及表面光洁度所必需的刚性和尺寸精度。整体硬质合金也使得切削几何结构优化成为可能，这样可以减小切削力、切削热、未切削纤维、杯突、拉丝、起毛等问题以及可更好地控制切屑。

　　薄的PVD金刚石(PCD)涂层(应用于整体硬质合金刀具或PCD刀片)使切削刃耐磨性更高，从而保障在较长的加工周期内刀具保持原有的几何结构。奥秘在于实现PVD的金刚石(PCD)薄涂层。它们不仅提供金刚石的耐磨性，而且有利于保持硬质合金刀具加工的理想切削几何结构。相比之下，CVD(化学气相沉积)涂层方式不可避免地形成了较厚的金刚石涂层，不利于几何结构优化。

　　主流复合材料加工数控刀具

　　如上所述，整体硬质合金基体金刚石增强钻头已被证明非常成功。因为它们在加工复合材料时，能保持比普通整体硬质合金刀具更长久的锋利状态。

　　目前市场上有四种金刚石增强刀具适合加工复合材料：

　　(1)CVD金刚石涂层硬质合金—兼具金刚石的高耐磨性，硬质合金刀具的尺寸精度的优点。缺点是涂层较厚，可能降低切削刃的锋利性，甚至使得切削刃偏离正确的几何形状。

　　(2)PVD金刚石涂层硬质合金—兼具金刚石的高耐磨性，硬质合金刀具的尺寸精度的优点。切削刃更锋利，对切削刃几何形状的控制更佳。

　　(3)于整体硬质合金基体上，金刚石刀片—适用于仅对刀具前刃具有金刚石耐磨性要求的情况。

　　(4)高压整体烧结金刚石(PCD)整体硬质合金钻头—其特点为，烧结金刚石(PCD)于整体硬质合金刀具刃槽中。

　　复合材料早期的孔加工

　　孔加工，主要指加工铆钉孔，是复合材料加工中不可避免的主要工序。由于固有的硬度和尺寸稳定性，纤维增强塑料无法分解在铆钉孔加工中因中心偏心而产生的错位应力。

　　早期解决方案主要依靠在具有偏置、插补编程功能的数控机床上采用整体硬质合金刀具加工定心孔。这实际上是一个轨道铣削过程，并不是真正的钻削，因为它使用比孔径更小的刀具。相对于钻削来说，使得采用一把刀具来加工不同直径的孔及不规则型腔成为可能，并降低了刀具的库存成本。

　　但是刀具磨损仍然是个问题，这促使人们采用一种常见的“变通方案”：编程补偿刀具磨损。这种策略虽然可保证加工尺寸，但不利于被加工表面光洁度和切削热控制。

　　以下是一些改善或解决复合材料孔加工难题的操作技巧：

　　(1)保持较小的切削力，以最小化被加工材料的分层和切削应力。

　　(2)加工铝制蜂窝结构或泡沫芯材料，采用硬质合金钻头即可。基材硬度越高，增强纤维的含量越多，采用使用金刚石涂层/金刚石刀片切削刃刀具的趋势就越大。

　　(3)如果孔的尺寸允许，采用硬质合金立铣刀加工中心孔或选用带PCD涂层刀尖的变形金刚系列刀具进行插补铣，比采用直柄麻花钻效果更佳。加工浅孔，采用短粗的直柄钻头。加工较深的孔，需要为各种切屑考虑可靠的排屑方式。如果可能的话，需考虑“啄钻”。

　　(4)速度和进给需要符合层压材料的每层材质要求。准备好为每一层的加工而改变钻削参数。

　　刀具几何结构参数的选择应该基于层压材料中的底层材料。如果底层为塑料，使用带锥角的锥形钻头。如果底层为铝或钛，使用带锋利切削刃的高剪切力钻头使得退刀更干净，余留更少的毛刺。锥形钻头只会粘结更多的铝屑。

　　(5)加工较厚的复合材料时，要提防热量积聚以及切屑阻塞。选择更窄的刃带、更宽的排屑槽和较大螺旋角的钻头，以在工件过热前完成钻孔。

　　数控加工含钛复合材料中的注意事项

　　当层压材料中含有钛时，上述推荐的经验做法都变得不可取。为了避免加工硬化和过热，并控制切屑，最好选择小前角、小后角的刀具，采用低主轴转速。总之，在刀具的选择上做好充分考虑，包括金属层与塑料层的相对厚度和位置分布。金属层多的层压材料适合采用带内冷却功能的硬质合金刀具。如果以碳纤维复合材料为主，则选用PCD硬质合金刀具更合适。要确定工艺能保证钛切屑被破碎至很小，并容易排出。此外，为了避免钛切屑堵塞复合材料孔的风险，最有效的补救措施是采纳更低的切削速度，采用啄钻方式加工。