当谈及如何提高钛金属加工性能的时候，并不存在所谓的“万全之策”。各行各业经验丰富的制造商都知道，在加工钛金属时，有许多问题需要注意，例如像热管理的重要性、主轴连接的强度以及达到最高动态刚性的必要性。这些问题和其他一些因素为采取一种系统的方法提高钛金属的加工性能水平提供了充分的理由。

钛金属的特性使其难以加工。在加工时，高温高强度会增加切削力。较高的加工淬硬特性和高应力也会增加清除切屑的难度，并使温度进一步升高。在高温情况下，钛金属会与所有的材料发生化学反应，造成刀具磨损。此外，钛金属的导热性较差，这就是我们今天所看到的为什么在加工钛金属时，其加工生产率受到限制的最大原因之一。在其他材料的加工中，热量被传导到切屑之中，这就是大多数刀具供应商建议采用顺铣加工钛金属的原因。然而，由于钛金属的导热率低，因此大部分热量进入到了刀片之中。随着温度的升高，硬质合金的强度逐渐降低。这意味着，在加工钛金属时，与切削钢材相比较，会降低其切削速度和刀具寿命。当切削钛金属的速度从50 m/min增加到100 m/min时，根据FEA有限元分析法预测，温度将会上升至250℃。

图 1  事实证明，Beyond Blast菊花状圆形铣刀片的使用寿命，至少要比使用普通冷却液的可比较刀片的寿命长2.5倍

为了优化钛金属的加工性能，刀具需要进行充分地冷却。合适的冷却液流量能够提高刀具的使用寿命，并且达到最大的有效切削速度。如果没有适当的冷却，刀片将会迅速升温。这可能会缩短刀具的使用寿命并影响表面质量，因为在刀刃上会形成一种积屑瘤(BUE)，这是由于工件材料粘附在刀刃上所导致的结果。

表1  T114526＆T117470型采用Beyond Blast菊花状圆形铣刀片与在相同等级和几何形状下采用标准冷却刀具的使用寿命的比较

传统的浸没式冷却液，往往从切削区的后部对准切削件进行喷射，其专用的高压冷却液费用，可高达数万美元。另一种冷却方法则是通过刀片传送冷却液。Kennametal公司将这种刀具称为“Beyond Blast”刀具。采用这种方法加工时，冷却液被直接喷射到刀具与工件的接触面上，以确保有效的冷却液传送、良好的热传导和润滑性。与具有通孔冷却液刀片相同刀刃几何形状和相同等级的标准冷却液传输法相比较，其刀具的寿命测试结果显示，在同样的加工参数条件下，与标准的刀具相比， Beyond Blast刀具的寿命提高了两倍以上。

在切削速度为150 ft2/min(1 ft=304.8 mm)的车削加工试验中，将Beyond Blast刀具与高压冷却液中加工的钛金属相比，Beyond Blast刀片在100 lb/in2的冷却液压力条件下，其刀具寿命要比使用1000 lb/in2(1 lb=0.454 kg)高压冷却液的标准刀片高25%。

在150 ft2/min的切削速度下，采用Beyond Blast菊花状圆形铣刀片，在相同的等级和几何形状下，通过刀片的冷却液可使刀具的使用寿命提高2.5倍以上(图1，表1)。速度的提高对刀具的使用寿命也有很大的影响。在标准的刀具上，简单地将速度从150 ft2/min提高到187 ft2/min，会使刀具使用寿命降低60%。如采用冷却液通过刀片，那么在提高速度时，刀具的使用寿命只下降23%。在较高的速度下，这些铣刀的使用寿命，仍然要比低速加工时的标准刀具高约2倍。这是因为这种方法提供的冷却液产生了有效的热管理作用。

强有力的主轴连接

在一个系统的加工方法中，主轴连接也起着十分重要的作用。对钛金属进行加工时，加工设备所面临的挑战是，如何在低切削速度和高切削力的特性条件下，达到高金属切削率。多年来，机床制造商已经提高了机床的刚性和主轴上的阻尼特性以及机床结构。在低转速下，主轴的设计具有高扭矩的特性。虽然这些技术上的进步，提高了生产率，但主轴连接仍然是一个薄弱环节。在大多数情况下，刀具主轴的接口，将决定在某一特定操作条件下究竟可以加工多少材料。

图 2  KM4X系统配有一个高夹紧力的球形机构，并具有很高的抗弯特性

高效加工的共同特征是使用高进给率和强力切削深度。随着刀具的不断发展，对于主轴连接而言，需要更好地利用机床所能提供的最大功率。

近几十年来，已开发或优化了几种不同类型的主轴连接。由于其具有良好成本效益比的优势，7/24的ISO标准锥度已成为市场上最畅销的系统之一。然而，在设计中遇到了高转速时的精度限制问题。一般来说，当转速大约在20 000 r/min时，主轴锥度开始在离心力作用下打开。如果该系统不存在任何干涉配合的问题，锥度开始松开接触的那个点，允许刀具在主轴内向上移动。

“KM”主轴接口是Kennametal公司最近的一项设计，它利用一个球形机构对孔径表面产生的作用力来固定刀柄，从而提高了对钛金属的加工性能。在新的KM4X系统中，这样的设计关系到对接口弯曲度的限制，在加工诸如钛金属一类需要强力切削的材料时，这是非常重要的。在端面铣削加工应用领域中，其突出延伸很长，弯曲度是其主要的限制因素。例如，一把直径为80 mm的可分度螺旋式刀具，其离主轴端面的延伸长度为250 mm，可产生4620 N·m的弯曲力矩和低于900 N·m的扭矩。新的KM4X系统可提供很高的夹紧力和刚性干扰，具有很高的刚性和弯曲力矩，有利于提高钛金属的加工性能。

表2  在铣削加工硬度为42~46HRC的Ti6Al4V材料时，通过此表，将标准实心刀柄的动态刚性与可调式刀柄的动态刚性进行了比较。其他的测试条件包括：10 in的进给长度、压力为1000 lb/in2的水基冷却液，0.010 ipt，0.15 in的轴向深度和2.0 in的径向深度

最大限度地提高系统的动态刚性

当采用可延伸的长度设置加工时，会发生人们不希望看到的再生式不良振动现象，造成表面质量差和尺寸控制问题，使刀具过早磨损。因此加工车间常常被迫降低切削参数，以避免发生颤振和造成生产率下降的现象。由于切屑厚度的变化，因此，当前一道加工留在工件上的波纹造成切削力度变化时，就会发生颤振现象。然后，这些切削力的变化，将会在工件上，造成更大的切削力振动，从而导致再生颤振现象。振动幅度的增大，可能会使刀具超越工件的加工范围，或导致其发生难以弥补的故障。

减少振动和保持高金属切削率的一种方法是：增加系统的动态刚性。动态刚性与产品的静态刚性及阻尼速度成正比。虽然采用较短的刀具设置或较大直径的刀柄，可以提高刀具的刚性，但由Kennametal公司提供的可调式刀具系统，通过使用一种被动式动态减振器，为最大程度地提高动态刚性提供了有力的手段(表2)。该系统(现在可提供铣削加工用适配器)的设计，将使其内部的质量，以接近该系统主导振动模式的自然频率产生振动(图3)。内部质量的运动将会消耗能量，以防止发生颤振。每台机床都有其自身的动态特征，但可调式适配器允许用户调整被动式阻尼器，对刀具进行微调，以适应机床特定的特征，即使该特征随着时间的推移而发生变化。在使用不同质量的铣刀时，该系统的自然频率可能会发生变化，因此这种微调也是非常重要的。

图 3  可调式刀具系统，通过使用一被动式动态减振器，提高了动态刚性

在金属切削试验中，可得知动态刚性与主轴套上测得的振动水平之间的良好相关性。这类振动不仅会导致刀具过早报废，而且也会降低主轴轴承的使用寿命。因此，防止振动波及到机床，将有利于促进延长元件的使用寿命，更好地长时间保持机床的加工精度。

换而言之，采取一种系统的方法加工钛金属，除了提高刀具的使用寿命外，还有许多其他的好处，其中包括：零件的加工更加稳定、产品质量进一步提高、主轴的性能和机床的加工精度也进一步提高。