1.3 特殊加工对象的车削应用禁忌

1.3.1 钛合金薄壁异形零件的车削刀具应用禁忌

钛合金具有强度（强度/密度）高、抗蚀性好及热强度高等特点，属于难加工材料，加工中存在切削效率低、刀具磨损快、排屑困难以及表面质量差等工艺难点。

钛合金材料不同类别及其加工难度如下：工业纯钛TAI容易切削；α钛合金TA7较易切削；α+β钛合金TC4较难切削；β钛合金TBI很难切削。

钛合金TC4的物理机械特性见表1-60。

从表1-60可以看出，钛合金的物理、机械特性造成了其加工时存在如下3个技术难题。

1）钛合金具有比较低的弹性模量，在切削力作用下工件已加工表面容易产生回弹，在加工过程中易引发刀具振动，导致后刀面磨损加剧，直接影响零件的尺寸精度和表面粗糙度。

2）钛合金热导率和比热容都非常低，切削钛合金时，切屑与刀具前刀面接触的长度短，使切削热大量（约75%）集中在切削刃附近的小面积内不易散发，导致局部区域切削温度过高，加快了刀具失效；同时，钛又是化学亲和力极强的元素，在加工表面易形成加工硬化层，使刀具磨损加快。

3）钛合金切削时容易与刀具发生粘结，切削温度高易产生积屑瘤，直接影响零件尺寸及表面粗糙度，甚至可能会引起刀具折断。

钛合金薄壁异形零件如图1-36所示，其车削禁忌及加工机床功能选择禁忌见表1-61和表1-62。

（邹峰）

1.3.2 耐热优质合金外圆车削陶瓷刀片应用禁忌

HRSA耐热优质合金材料可分为3类；镍基、铁基和铬基合金。切削加工性都比较差，特别是在时效处理情况下，这就对切削刀具提出了特殊要求。在航天航空工业中，加工被分为3个阶段：初始阶段加工（FSM）、中间阶段加工（ISM）和最后阶段加工（LSM）。在LSM中，表面的完整性是最重要的，这将限制切削速度和强调锋利切削刃的重要性，以避免形成具有不同硬度和残余应力的所谓白口层。

粗加工（初始阶段加工，FSM）可使用CC670陶瓷刀片（晶须增强），使用小的主偏角或圆刀片（见图1-37~图1-39），切削速度vc可更快，但进给量fn和背吃刀量ap都必须减小，以获得最佳刀具寿命。陶瓷刀片常选用的刀杆形式如图1-40所示。

半精加工（中间阶段加工，ISM）工序使用陶瓷刀片优点最明显。可使用硅铝氧氮陶瓷刀片，此类刀片具有出色的耐沟槽磨损性，并且与硬质合金牌号相比，可以使用更快的切削速度vc（150～280m/min）和较高的进给量fn（0.15～0.35mm/r），但是一定要使用稳定的装夹和正确的切削液（流量比压力更重要）。获得最大生产效率的首选是CC6060陶瓷刀片，较不稳定工况的首选是CC6065。在加工时效处理材料中的背吃刀量比在粗加工（FSM）工序中的背吃刀量要小一些。

用RNGN 12、RCGX 12等类型陶瓷刀具加工Inconel 718高温合金（硬度38～46HRC），不同材质陶瓷刀片的起始切削参数推荐值见表1-63。

加工耐热优质合金材料时要使用正确的加晶须的合成型陶瓷刀片，供给充足的冷却水，确保屑流无阻、工艺系统稳固及无振动倾向，尽量避免断续车削，具体应用禁忌见表1-64。

（范存辉）

1.3.3 精确高压内冷外圆车削刀具加工钛合金应用禁忌

按照钛成分的结构，钛合金可分为α、α-β和β钛合金3类，其中α钛合金的机械加工性能最好。从α-β到β钛合金，加工性能越来越差。由于钛合金材料具有变形系数小，切削温度高，单位面积上的切削力大，冷硬现象严重，以及刀具易磨损等切削特性，所以要求刀具材质具有抗磨性、抗塑变、抗氧化、高强度及刃口锋利等特点。

由于钛合金导热系数很小，切削产生的大部分热量都传送到刀具上，所以切屑与刀具接触面的切削温度非常高。当车削钛合金时应始终使用切削液，切削液流量应该大并且直接喷向切削刃，但传统的切削液喷管装置始终使刀片的最小区域暴露在冷却区之外，大量的切屑阻碍了切削液到达刀片切削区域，使切削液无法穿透切屑和刀片之间。使用高精度切削液供应技术，切削液可穿透热影响区，可更有效地冷却刀片，不仅可以实现完全的切屑控制和温度控制，切削速度可以加快20%，刀具寿命可延长50%，还可显著改善断屑。精确高压冷却和传统切削液喷管冷却的对比如图1-41所示。

使用精确高压内冷刀具加工钛合金材料可以使切削液穿透热影响区，可更有效地冷却刀片，降低切屑和刀片接触面积，降低切削热，提高加工效率，延长刀具寿命。但此类刀具对机床及切削液的选用有一些特殊要求，具体应用禁忌见表1-65。

（范存辉）

1.3.4 环氧件车削刀具应用禁忌

环氧件复合材料是玻璃纤维和一定比例的树脂粘合，然后经加温加压制作而成。其在常温下力学性能好，在高温下电气绝缘性能稳定，环氧零件加工及零件实物如图1-42所示。环氧件在切削加工过程中，影响刀具寿命的因素和金属材料加工一样，主要有切削热、切削刀和接触的摩擦力。另外，环氧件复合材料里有玻璃纤维硬质点，类似于砂轮中的砂粒，对刀具切削刃口进行研磨，使刀具磨损加快，工件起层、掉渣、粉尘严重。它的切削加工完全不同于金属材料的切削加工，其导热性比金属材料小得多，车削加工时散热条件差，加工效率低，产品质量不稳定。环氧件在切削加工中，刀具几何形状决定了其切削性能，刀具材料决定其使用寿命。加工环氧件时，刀具材料是其切削性能的一个决定因素，必须合理选择刀具材料。根据其加工特点，要求刀具材料和刀具几何参数相对合理，既要耐磨、锋利，又要散热条件好，才能有效地加工，达到理想的刀具寿命。在实际加工过程当中应注意以下禁忌，具体见表1-66。

（常文卫、邹毅）

1.3.5 铝合金薄壁半球壳体车削禁忌

铝合金薄壁半球壳体毛坯一般采用模压与焊接制坯，毛坯内外表面需要采用数控车床车削成形。铝合金薄壁半球壳体由于壁薄、刚性差，所以在车削过程中需考虑工艺系统的刚性，防止工件变形与车削过程中发生弹刀现象，确保工件的壁厚与工件表面的表面粗糙度满足加工要求。车削铝合金薄壁半球壳体忌直接夹持或压紧工件，正确的做法是制作专用的型胎，夹压工件，以确保加工过程中工艺系统的刚性。具体车削禁忌见表1-67。

（王华侨）

1.3.6 镁合金铸件车削刀具及切削参数选用禁忌

镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。其特点是密度低、比强度和比刚度高、减振性能好、导电导热性能良好、工艺性能良好、耐蚀性差、易于氧化燃烧以及耐热性差。在实用金属中是最轻的，其密度大约是铝的2/3，是铁的1/4，主要用于航空、航天、运输和化工等行业。图1-43所示为镁合金铸造飞机轮毂的车削加工。

基于镁合金特点，特别是其耐蚀性差、易于氧化燃烧及耐热性差的特点，在车削时需要注意刀具和切削参数的合理选择。具体选用禁忌见表1-68。

（李创奇）

1.3.7 钨铜合金加工中车刀应用禁忌

钨铜合金是一种由体立方结构的钨和面立方结构的铜所组成的既不相互固溶又不形成金属化合物的两种独立混合组织，通常称为伪合金，其铜含量一般为10%～50%，弹性模量E=239.79GPa，硬度约28HRC。因它既具有钨的高强度、高硬度、低膨胀系数等特性，又具有铜的高塑性、良好的导电导热性等特性，导致零件加工难度大，废品率高。钨铜合金加工中车刀应用禁忌见表1-69。

（邹峰）

1.3.8 R型圆弧车刀在整体轮加工中的应用禁忌

1.整体轮加工简述

整体轮在机车转向架中担负着机车导向作用，又是整车中受力大、工作条件异常恶劣的关键部件，其质量状态直接影响机车的安全运行。整体轮加工中，由于直径和加工余量大、材料硬，导致刀具易磨损，尺寸精度不稳定，表面质量难达到设计要求，生产效率无法提高。针对大型锻件零件加工，怎样合理地选择加工刀具和切削参数是实现整体轮高效、低耗、高质量加工的关键。

德国进口锻件整体轮毛坯件如图1-44所示，毛坯质量约为1000kg，锻件的孔与外圆偏心较为严重。由于内外圆的偏心和轮廓直径加工余量大，且轮坯表面附着硬度很高的氧化层及深陷的钢印号，使整个切削成为具有较大冲击负荷的间断切削环境，切削刃很容易损坏，因此延长刀具的寿命和保持正常切削成为亟待解决的问题。

2.常用圆弧车刀（R型圆弧车刀）的结构及材料

圆弧车刀（R型圆弧车刀）由圆弧刀片和刀体两部分组成，如图1-45所示。一般刀体材料选用铬钼合金钢，其中刀头圆弧刀片材料采用硬质合金，夹紧螺钉一般选用SCM435合金钢。此刀具适用于强力车削和仿形加工。

3. R型圆弧车刀在整体轮实例加工中的应用与禁忌

（1）整体轮材料 整体轮材料等相关信息见表1-70。通过了解整体轮材质及硬度，在粗加工较大的锻件毛坯时，会优先考虑刀具材料应具有较好的切削性能，因此在整体轮粗加工中应尽量选用优质高效刀具，才能充分发挥数控机床的高效率。

（2）R型圆弧车刀的优选性能比较及选用禁忌 使用ϕ20mm和ϕ28mm涂层硬质合金刀片加工整体轮时，两种刀片切削三要素的比较见表1-71。

ϕ20mm的小直径圆弧车刀及刀具组件如图 1-46所示。R 型圆弧车刀的使用禁忌见表1-72。

1）当锻件余量较大时，往往需要多层车削。切削时，应避免切削刃直接接触锻件表面氧化皮或者坯件的表面；同时，背吃刀量应满足3mm≤ap≤8mm，这样不仅能够提高刀具的切削性能，还能提高零件的生产效率。

2）R型圆弧车刀属于重型切削的一种，禁止在接触面积大、切削抗力大的场合切削，避免零件表面、机床振刀现象，防止机床受损。

3）刀具安装时，刀体伸出尽可能短，夹紧必需牢固、稳定，避免加工过程中刀具松动和振刀引起刀具崩裂和“扎刀”现象。

4）由于刀片材料为涂层硬质合金，具有表面硬度高、耐磨性好等特点，因此在车削过程中，要合理使用切削液，降低切削热，使车削过程保持在充分冷却润滑的环境下，从而使刀具充分发挥高速、强力切削等优越性，严格禁止不用切削液的“干切削现象”。

5）R型圆弧车刀从选型、试验、数据比较等几个阶段的验证，能够在各种车型机车整体轮产品上进行重切削加工，推动了锻件整体轮坯件切削的进步。

（邹毅）

1.3.9 钛合金加工参数选用禁忌

钛合金由于具有密度小、强度高、耐腐蚀等诸多优点，因此被广泛应用在各行各业，尤其是在航空航天领域。随着航空器的性能越来越高，很多零件采用钛合金代替铝合金，但两种材料的切削性能却截然不同。加工钛合金时，因未正确使用切削参数而容易导致机床内着火。钛合金加工参数选择禁忌见表1-73。

JetstreamⒸ系列刀具（见图1-47）是通过刀体内的复杂机构将切削液引导至刀尖的前刀面位置，集中喷射在产生切削热的刀尖部位，从而实现最佳冷却效果。精加工时应选择精加工导流器，使切削液更接近刀尖位置，实现更好的冷却效果。

（宋永辉）