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圖1 要加工這塊僅有雪茄盒大小的鈦金屬工件對于現在的加工中心來說并不是難事

鈦銑設備的機床通常都采用重型剛性結構以及可以承受低錠速高扭矩的錠子設計，大錠子錐度和高壓冷卻劑也很常見，多軸線切割設備還可能配備高強度耳軸和轉臺。

然而，一個配備完整40錐度立式加工中心的車間也不會讓此類制造資源失去進行有效順利鈦銑加工的機會。工程副總裁Mike MacArthur和切削刀具制造商鈦金屬專家RobbJack一直在推行這一觀點。重要的是，盡管關于切削刀具的考量僅僅是因為，讓這個端銑刀能夠有效切削這塊工件系統，為此鈦銑方法就自然而然地成為了重點，他的觀點并不是單純的切削刀具中心論。

“不論一個車間采用何種工具進行鈦銑加工，鈦銑加工的原則是一樣的。近幾年來有所改變的是以這一原則為基礎的控制變量選項。”MacArthur說，“這些選項帶來了在許多現有加工中心進行金屬銑削加工的可用方法。”他補充說。具備高度同心剛度握持力的超精確夾具對鈦金屬加工提出了另一個要求。配備高壓冷卻劑輸送系統的機床較為先進。當然，設計用于多種鈦金屬加工操作的端銑刀現在已經有了非常多的選項，也有很多切削刀具生產商在生產。

圖2 使用較小的刀具可以減小刀具與工件表面的接觸面積，這樣工具吸收的熱量少一些，這一方法需要有刀位軌跡程序設計以及正確的切削速度和力度，以保證小尺寸刀具也可以進行有效的材料切削

圖3 控制切刀與工件之間接觸角度的程序設計技術可以保證穩定的切削條件。盡管最終確定的刀位軌跡(左)比傳統軌跡包含的切割動作更多，這一軌跡卻支持程序員采用適宜于鈦金屬加工的小行距和高軸速

任何關于鈦銑加工的背景都一定會涉及熱量問題。“要在任何機床上實現鈦銑策略的制定，這都是優先考慮的對象，在通用機床上尤其如此。”MacArthur說。過熱會很快造成端銑刀刀刃的損壞，并進一步破壞剩余切削策略中的“支撐結構”。由于利落的剪切作用可實現工件表面完整、吸收熱量的同時刀刃完成流暢旋轉的片狀切削，鈦金屬需要采用高強度且鋒利的刀刃。“切削工具制造商有權進行以此為目標的設計，但是否采用保護刀刃的措施則取決于車間。”MacArthur說。

超酷的刀位軌跡

也許鈦金屬加工中最重要的刀具保護措施就是采用可以避免過熱的刀位軌跡和較小的刀刃。涉及銑削槽和寬槽時，可以利用實現刀具與工件接觸條件恒定的刀位軌跡算法達成這一目標。今天，大多數計算機輔助制造軟件的開發商都會提供此類算法，只是名稱不盡相同。槽中，此類刀位軌跡通常都會采用一個規則的圓錐形套路，刀具會按統一曲線由槽的一邊向另一邊移動，MacArthur聲稱這種統一的弓形移動路線很明顯。

圖4 紅點標識的位置是在端銑刀刀刃上開口的對比形式。相對于右邊的刀具，左邊的離心刀刃在鈦金屬加工中可以實現更好的支撐作用和刀具保護

進行不規則形狀銑削槽的切割時，刀位軌跡算法會創建一個可能較難識別的套路，因為這個套路乍一看并沒有反映出銑削槽的側壁形狀。事實上，這個刀位軌跡設計利用逐漸加速的循環弓形材料移動軌跡達到避免刀具走入角落或突然變向。盡管不同計算機輔助制造開發商提供的產品在主要細節或處理速度上有所不同，但都提供了一個類似的鈦金屬加工收益——以小尺寸刀具按小行距進行高轉速切削的能力。

這一方法可以利用輕型刀刃實現較高的金屬切削速度。輕型刀刃則能夠保證單個出屑槽與工件的接觸時間更短，吸收的熱量也就更少。

為了給這個概念更多的代表性數字，他描述了以下幾個樣本試驗零件。采用一個六槽1/2?in直徑的刀具進行了一塊6Al4V鈦金屬塊的加工。切削速度為75?in/min及400?ft/min(1?in=25.4?mm，1?ft=304.8?mm)。徑向切削深度為0.05?in(刀具直徑的10%)，軸向深度為1?in(刀具直徑的兩倍)。在這個范例中，在略少于15?min的時間內共切下了約22?m3的金屬料。為了顯現這一案例中顯現出的金屬切削潛力，MacArthur補充道：“在嚴格采用此方法進行的粗加工操作中，1個1/2?in直徑的刀具15?min內可以在6Al4V的鈦金屬上完成65?m3的切削作業。”

最重要的是，這一加工參數的強度和扭矩要求不需要大型“鈦金屬設備”的性能，過去五六年內生產的大多數垂直加工設備都可以實現。“由于建造商采用了有限元分析和其他先進的設計工具，最新一代的40錐度加工中心模型的強度和性能都高于舊型號。”MacArthur解釋道。所以，一臺保養妥當、型號較新的機床就可以進行鈦金屬加工了。

圖5 圖中三個較小的端銑刀分別有四個、五個和六個出屑槽。進行刀具與工件接觸面積較大的操作編程時，應選用較少出屑槽的銑刀。若允許采用較小的接觸面積時，可采用較多出屑槽的銑刀

出屑槽截面

當然，高強度的鋒利刀刃并不是切削刀具制造商們賦予鈦金屬端銑刀的唯一一個設計特性。常見設計原則中包括用于打亂諧波的不平整出屑槽，有利于切屑流流動的螺旋出屑槽夾角以及可減少摩擦熱量的平順、光滑、耐磨涂層。刀刃上的向心開口同樣是個典型設計，因為這一設計可以在刀刃放置在地面上打磨鋒利時支撐和強化刀刃。“這并不是說所有鈦金屬端銑刀的制造方法都是一樣的。”MacArthur提醒。不論哪個供貨商，適合用作鈦金屬加工的端銑刀應有至少四個(或更少)出屑槽，至多10個(或更多)出屑槽。

由于1/2?in或更小直徑的端銑刀最適用于40錐度機床的功率和強度，四槽端銑刀在較重型的切削和有較多拐角的銑削槽切削中是不錯的選擇。15?in/min切削速度、125～200?ft/min是比較平均的四槽端銑刀設定值，此時X和Y軸上的行距以刀具直徑的25%為宜。

但是，如果條件允許，由于實際轉速和切削速度通常會達到400?ft/min，用直徑基本相同的六槽或八槽端銑刀進行開口矩形槽的切削也是不錯的選擇。相應的45～75?in/min的切削速度也說明了這一可能性。六槽及八槽端銑刀在解除條件恒定的刀位軌跡上性能尤佳，此時X和Y軸上的行距應在工具直徑的2%～10%之間，切削表面平滑的高速精加工切削也是這種工具的理想操作對象之一。

夾具

高精度高品質夾具是鈦銑的必備裝置。夾具的品質會對加工操作產生多重影響。機械刀具主軸的固定夾能夠增強整個切削刀具組件的硬度。夾具的精度可以最大限度減小滑動，也可以在進行切削操作時創造穩定的條件。平衡性能好的夾具能夠減小機床主軸及切削刀具上的應力，同時減少振動源。由于鈦銑操作產生的切削力比銑削其他較軟、較松散的切削材料更大，夾具的夾持力至關重要。

“這種情況中的一個因素經常被忽視或誤解。”MacArthur警告說，“那就是刀柄的圓度。”圓度高的刀柄會補充并增強高精度、高品質夾具帶來的益處。這個圓度直接影響其與夾具夾面的接觸程度。刀柄的圓度與夾具的品質密切相關，但大多數關于夾具要求的討論都忽略了使用高圓度刀具的重要性。

刀柄的圓度對于小尺寸切削刀具尤為重要，因為切削刀具與夾具之間的接觸面積會成比例縮小，接觸面積的任何變化都會對夾持力造成巨大影響。

壓力已啟動

金屬加工冷卻劑有三個功能：冷卻、潤滑和切屑控制，這三個功能對于鈦銑加工都有巨大意義。今天的大多數加工中心都帶有益于鈦金屬銑削的冷卻劑輸送選項。支持高壓主軸輸送更佳，因為這種輸送方式對于排屑功能的提升最大，建議配置額外冷卻液孔口及“噴頭”。

為了防止偏轉，鈦金屬端銑刀通常都配有厚重的芯材，所以出屑槽之間的凹槽槽道并不十分寬敞。然而，這些槽道足夠容納輕型切削產生的碎屑通過和排出。即便是出屑空間受限的六槽和八槽刀具也是如此。簡而言之，大量供應高壓冷卻劑可以有效減少碎屑卡在出屑槽中的幾率。

一個激發思考的方法

本文推薦了一個鈦銑加工的使用方法，這個方法讓車間人員重新考慮新型立式加工中心等現有加工資源的可用性。這一方法非常實用，因為其在切削刀具、夾具、電腦輔助制造軟件等方面的適宜方案都有明顯的可用性。但是，這一方法也可以被稱作一個激發思考的方法，因為它倡導操作者去了解鈦金屬、了解它的特性并以明智的方式應用這些基本原則，任何控制鈦金屬加工的認真嘗試都必須嚴格遵循這一倡導。