新型飛機越來越多地采用钛金屬，因為這種材料結合了很高的剛性和極好的防腐蝕特性。但是在這種材料的推廣運用方面，較低的單位時間切削量仍是目前的一個瓶頸。在漢諾威的IFW上，通過對刀具幾何形狀進行針對性的設計，單位時間切削量可以提高300%以上钛金屬切削加工中刀具的選擇。　

　钛金屬在下一代飛機（如波音787或空客A350XWB）的結構重量中的比重将超過15%，大約是目前飛機上的比重的兩倍。這種發展的主要原因在于人們越來越多地對碳素纖維加強型塑料（CFK）的應用。例如，CFK在結合使用鋁合金時，會因電化學電位差而導緻腐蝕。結合使用CFK和钛金屬則會使得這種電位差降低到隻剩下原來的1/5。鑒于钛金屬的這種特性（如很強的剛性和較低的導熱性），它非常适合于航空制造業的應用。　

　對钛金屬進行粗銑削作業時，經常使用HSS（高速鋼）材質的銑刀。這種刀具由于具有很大的彈性，因此可以達到較大的進給量。但是這種材質的耐熱性很低，因此隻能适用于較低的切削速度。硬金屬刀具雖然可以達到較高的切削速度，但時至今日所設計的刀具外形仍然隻是适合加工鋁質産品。迄今為止尚未有适合于高速銑削钛金屬的專門刀具。總的來說，針對這種切削工藝，大多采用自由角度大的鋒利刀片。　

　在此背景下，通過對刀具外形的最佳化設計，可以實現單位切削量的提高。對此，IFW目前正在實施“通過刀具研發提高钛金屬銑削單位時間切削量”的課題，該項目由工業研究基金會資助，并得到航空和刀具行業的衆多企業的支持。該項目的目标是要通過研發钛金屬專用的宏觀和微觀銑刀外形，使得帶有全硬金屬刀具的刀柄銑刀的單位時間切削量至少提高100%。針對銑刀的宏觀幾何外形，在切削角度、自由角度、螺旋角度和刀尖圓弧半徑以及刀片在銑刀圓周上的不均勻分布等方面，進行了研究。針對銑刀的微觀幾何外形，則對刀刃鈍化和支撐倒角進行觀察。　　在提高钛金屬銑削的單位時間切削量上，一個制約性的因素便是很高的刀具磨損程度。因此，這裡首先要對幾何外形相關的切削角度和自由角度對刀具的使用壽命産生影響的系統研究作一個介紹。

　　小切削角度會導緻大磨損　　對切削角度和自由角度對刀具磨損的影響的研究，是在一個銑刀頭的未鍍層可轉位刀片上進行的。在傳統的切削參數（vc=45m/min,fz=0.03mm）上，切削楔的幾何外形對刀具磨損的影響可以被忽略不計。所有的刀具都顯示出極小的自由面磨損。最大的磨損量為在一個切削量Vw=470cm3之後的VB=30μm。切削角度γ變量在vc=75m/min的較高速度下，顯示出較大的切削角度可延長刀具的使用壽命。

　　在采用較小的切削角度時，由于機械載荷較大，因此在刀片邊緣容易産生噴濺。這種噴濺會造成刀具的早期失靈。如果切削角度較大，達到γ=14和γ=20時，則刀具的磨損就會變緩。γ=20的刀具同樣會出現刀片邊緣噴濺，這是因為楔角β=58為較小。　　正向的切削角度一方面可以帶來較小的工作力，刀片隻會受到較小的載荷；另一方面卻會生成較小的楔角度，造成不穩定的機械切割。此外，在切削速度較高時，所産生的工藝熱量不能充分地從刀刃上被排走，刀具從而會受到很大的熱載荷。采取γ=14切削角度的刀具可以達到最好的折衷程度，即切削力小，刀具邊緣穩定，其磨損狀态達到最佳。　

　自由角度小磨損狀态佳　　除了切削角度之外，自由角度α也是刀具宏觀幾何外形的一個決定性的因素。在采用傳統的切削參數（vc=45m/min）對钛金屬進行銑削時，所有所試驗的自由角度都顯示較小的磨損痕迹寬度，這些磨損主要都是磨損和大噴濺導緻的。自由角度小（α=6）的刀具顯示出良好的磨損狀況。這與廣泛認為的在加工钛合金時必須采用大自由角度的設想相違。REM對所磨損刀片進行的試驗顯示出刀片邊緣有較小的磨蝕，但是磨蝕被限定在噴濺範圍之内。總的來說，這不會導緻刀具的早期失靈。

　　如果把切削速度提高到vc=75m/min的話，刀具會在α=15的自由角度和α=18時因刀片邊緣噴濺而會在很低的切削量下失靈。隻有當自由角度為α=6時，才顯示出一種恒定的和較低的磨損。這個自由角度的數據要明顯比鋁加工時通常采用的α=12~14的自由角度來得小。　　

專用幾何形狀可降低磨損　　專門針對钛合金銑加工的刀具幾何外形設計可以明顯降低刀具的磨損。在對TiAl6V4進行銑槽時，采用小的自由角度結合相對大的切削角度，即可達到較小的刀具磨損。而大的自由角度（如用于鋁加工的刀具）則會導緻刀片邊緣的早期噴濺。若選擇的切削角度過大，則加切削力就會增大，從而刀具的機械負荷也就會明顯增大，這也會導緻刀片邊緣的噴濺。因此，在設計用于钛金屬加工的刀具時，需要注重刀片邊緣的穩定性。　　

通過改善刀具的磨損狀況，刀具即可用于很高的切削速度和很高的進給量的加工條件，并仍能達到Vw>400cm3的切削量。這個結果可以極大提高單位時間的切削量，并提高加工效率。這裡所示的研究的結果與對旋轉角度、刀片不均勻分布和切割邊緣鈍化等的結果一起，融入到了對一種16mm全硬金屬柄式銑刀的設計方案裡。采用這種刀具，單位時間切削量可以從25cm3提高到102cm3，這相當于提高了300%以上。

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