在航空航天业中，许多钛合金零件具有开口槽结构，由整体毛坯切削去除较多余量而成，因比强度较高，这类零件在航空航天领域得到了广泛应用。传统开槽一般采用层铣加工方法，当加工较深的槽腔时，需要较长的铣刀悬伸。由于层铣加工时径向切削力较大，长悬伸铣刀切削极易产生振动，加剧刀具磨损，降低加工质量。因此，为降低切削振动，不得不大幅减小铣削深度和进给速度，导致加工效率很低。
插铣通过铣刀的轴向进给进行大切除量加工，可以快速去除切削余量。田静云等通过对插铣的实验研究建立了插铣切削的力学模型；李湉等通过对整体叶轮粗加工的研究表明，与传统层铣相比，插铣过程中的径向铣削力减小50％以上，加工效率增加近一倍。
图1 插铣示意图
本文通过试验研究了插铣加工钛合金深槽的表面形貌、切屑形态、刀具磨损及加工效率等，为插铣工艺在深槽加工中的应用提供参考。
1 插铣开槽工艺及刀具
如图1所示，插铣加工时，铣刀沿轴向从工件上表面向下进给切削，到达底部后完成切削，向上抬起退刀至工件上表面的初始进刀位置，完成一次插铣加工过程。然后，铣刀沿槽腔纵向移动到下一位置，再重复前述的插铣加工过程，完成下一次插铣加工，此时的纵向移动距离为插铣的铣削宽度ae。依此方法，铣刀沿槽腔纵向从头至尾完成插铣加工后，再沿槽腔横向移动一个步距S，重复沿槽腔纵向的插铣加工。反复进行上述加工过程，直至完成整个槽腔的插铣加工。
插铣加工需选用小主偏角铣刀，与普通层铣刀具相比，这种刀具在插铣加工时可把大部分切削力引向铣刀轴向，产生的径向力较小(见图2)。即使选用较大悬伸铣刀进行加工，仍可保持切削过程的稳定，为深槽的高效加工提供了可能。
图2 插铣刀与层铣刀产生的切削力
2 试验条件
工件材料：TC4(Ti-6Al-4V)钛合金属于α+β钛合金，力学性能见表1。如图3所示，开口槽尺寸49mm×190mm×95mm，是窄而深的槽腔。
图3 加工零件主要尺寸
图4 CoroMill 210铣刀刀体(上)、刀片及接杆(下)
插铣刀具选用山特维克可乐满CoroMill 210铣刀，刀体型号R210-042C4-09H，直径42mm。由于槽腔较深，在开槽切削时需配装加长接杆，接杆型号C5-391.02-40 065A。刀片型号R210-09 04 14E-PM，牌号S30T，刀片端刃长9.5mm。铣刀刀体及接杆实物如图4所示。CoroMill 210铣刀工作时主偏角κr=10°，切削力主要被引向轴向，径向力较小，可大幅减小长悬伸铣刀的切削振动。
测量装置：选用VHX-1000C型超景深三维显微系统观测刀具前刀面和后刀面的磨损形貌。
3 试验方案
试验采用往复走刀路线，开槽起步沿着槽纵向走刀，回程再切削槽宽方向上的余量。起步第一列开槽宽度为满切宽(即铣刀直径)42mm，由槽宽49mm可知，回程切宽为余量7mm。由图1可知，试验中铣刀沿槽腔纵向往返移动各一次，且往返两列走刀路线之间的距离(即步距S)为完成第一列插铣开槽后槽腔侧壁的余量厚度7mm。由于刀具中心无切削刃，为避免撞刀，插铣时铣削宽度不能超过刀片的端刃长度，试验中铣削宽度选为6mm。综合考虑机床的功率和钛合金的切削性能，选择切削速度为40m/min，每齿进给量为0.15mm/min。切削参数如表2所示。
加工编程时需要注意，每次插铣结束时，在抬刀前应使刀具离开侧壁约1mm距离，防止退刀时的二次切削，加剧刀具磨损。插铣TC4深槽试验中，采用压力较高的大流量冷却液对切削区冷却，可使切削过程中产生的大量切屑顺利排出。
4 试验结果与分析
插铣切削过程中产生少量由切削液汽化形成的烟雾(见图5)，表明切削区温度较高。切削区在大流量切削液冲刷下排屑顺畅，整个过程平稳。
(1)已加工表面形貌
插铣加工后TC4钛合金槽腔如图6所示。槽腔表面粗糙，侧壁刀痕明显，每隔6mm形成一个残留棱，棱高最大值为0.5mm。槽腔底部表面也有明显的刀痕。与层铣相比，插铣已加工表面粗糙，需进行后续精加工。
图5 插铣加工TC4深槽
图6 插铣加工零件表面形貌
(2)切屑形态
插铣加工中铣刀的端面刃为主切削刃，切削过程中铣刀沿其轴向的进给速度vf决定插铣加工的每齿进给量。与普通层铣类似，插铣切屑的大小由铣削宽度、每齿进给量等切削参数及铣刀直径、主偏角等铣刀几何参数共同决定（见图7a）。切屑宽度由铣削宽度和铣刀主偏角决定，切屑厚度由每齿进给量决定，切屑长度由铣削宽度和铣刀直径决定。插铣的切屑向外螺旋卷曲，切屑头部较窄，中部变宽，切屑尾部又逐渐变得很窄，单个切屑一般可形成两个螺旋（见图7b）。切屑尾部由宽逐渐变窄，表明铣刀在切出过程中承受载荷逐渐降低，刀片切出工件瞬间承受的拉应力也大幅降低。根据切屑形态可知，此时插铣切削状态有利于降低刀具的磨损，提高刀具使用寿命。
图7 切屑形成机理及切屑
(3)刀具磨损情况
图8为插铣加工后铣刀的磨损形貌。插铣加工中铣刀的主切削刃为端面刃，因此刀具磨损主要集中在铣刀的端面刃附近。图8a显示，磨损刀具的前刀面没有出现明显的月牙洼形态，前刀面的磨损区域非常靠近主切削刃，且微崩刃、沟槽磨损为其主要磨损形态；图8b显示，后刀面磨损带沿主切削刃分布，范围较大，但宽度较窄，后刀面磨损宽度VB约为0.145mm。磨损形式以微崩刃磨损为主。图8中显示刃口多处出现微崩刃，这是由于插铣过程中需要多次的进刀和退刀，进刀过程中会有较大的冲击力，加剧了刃口微崩刃的发生。
(a)前刀面磨损形貌 (b)后刀面磨损形貌
图8 刀具磨损形貌100×(v=40m/min、ae=6mm、fz=0.15mm/z、s=7mm、L=6.46m；
(4)切削时间对比
试验测得插铣一次完整的进刀需用时35s，整个开槽过程需68次进刀，用时合计39.7min。
传统层铣选用可乐满CoroMill390(刀具直径42mm，主偏角90°)铣刀，切削速度50m/min，每齿进给量0.15mm/z。为避免刀具受径向力过大产生切削振动，切削深度不宜过大，推荐值为2mm；槽宽为49mm，显然层铣加工开槽首刀为满切宽铣削，即42mm；第2刀铣削宽度为剩余的7mm。层铣开槽的切削参数如表3所示。
图9 插铣与层铣切削时间对比
在此参数下层铣，共需切削48层，包括刀具空行程时间共为 82.5min。 如图9所示，插铣比层铣时间减少了约42.8min，切削效率提高了51.9%。在钛合金深槽的开槽加工中插铣的切削效率更高。
小结
通过试验对TC4钛合金深槽的插铣开槽进行研究，得到以下结论：
插铣加工表面粗糙度较大，一般需要进行后续精加工；
插铣刀具磨损主要发生在刀片的端面刃，磨损形态以微崩刃、沟槽磨损为主；
插铣在进行深槽开槽粗加工时切削效率明显高于普通层铣。
综上所述，插铣加工槽腔表面粗糙，一般还需进行二次精加工。在浅槽加工时，效率与传统层铣相比没有明显优势，因此插铣不是浅槽的首选开槽方法；当层铣加工深槽极易引发切削振动，导致刀具寿命、铣削效率和加工质量大幅降低时，可采用插铣取代传统层铣，大幅提高切削效率。
来源：《工具技术》本文作者:姜增辉
