1.3 特殊加工對象的車削應用禁忌
1.3.1 鈦合金薄壁異形零件的車削刀具應用禁忌
鈦合金具有強度（強度/密度）高、抗蝕性好及熱強度高等特點，屬于難加工材料，加工中存在切削效率低、刀具磨損快、排屑困難以及表面質量差等工藝難點。
鈦合金材料不同類別及其加工難度如下：工業純鈦TAI容易切削；α鈦合金TA7較易切削；α+β鈦合金TC4較難切削；β鈦合金TBI很難切削。
鈦合金TC4的物理機械特性見表1-60。
表1-60 鈦合金（TC4）物理機械特性
從表1-60可以看出，鈦合金的物理、機械特性造成了其加工時存在如下3個技術難題。
1）鈦合金具有比較低的彈性模量，在切削力作用下工件已加工表面容易產生回彈，在加工過程中易引發刀具振動，導致后刀面磨損加劇，直接影響零件的尺寸精度和表面粗糙度。
2）鈦合金熱導率和比熱容都非常低，切削鈦合金時，切屑與刀具前刀面接觸的長度短，使切削熱大量（約75%）集中在切削刃附近的小面積內不易散發，導致局部區域切削溫度過高，加快了刀具失效；同時，鈦又是化學親和力極強的元素，在加工表面易形成加工硬化層，使刀具磨損加快。
3）鈦合金切削時容易與刀具發生粘結，切削溫度高易產生積屑瘤，直接影響零件尺寸及表面粗糙度，甚至可能會引起刀具折斷。
鈦合金薄壁異形零件如圖1-36所示，其車削禁忌及加工機床功能選擇禁忌見表1-61和表1-62。
圖1-36 鈦合金薄壁異形零件
表1-61 鈦合金薄壁異形零件的車削禁忌
（續）
表1-62 鈦合金薄壁異形零件的加工機床功能選用禁忌
（鄒峰）
1.3.2 耐熱優質合金外圓車削陶瓷刀片應用禁忌
HRSA耐熱優質合金材料可分為3類；鎳基、鐵基和鉻基合金。切削加工性都比較差，特別是在時效處理情況下，這就對切削刀具提出了特殊要求。在航天航空工業中，加工被分為3個階段：初始階段加工（FSM）、中間階段加工（ISM）和最后階段加工（LSM）。在LSM中，表面的完整性是最重要的，這將限制切削速度和強調鋒利切削刃的重要性，以避免形成具有不同硬度和殘余應力的所謂白口層。
粗加工（初始階段加工，FSM）可使用CC670陶瓷刀片（晶須增強），使用小的主偏角或圓刀片（見圖1-37~圖1-39），切削速度vc可更快，但進給量fn和背吃刀量ap都必須減小，以獲得最佳刀具壽命。陶瓷刀片常選用的刀桿形式如圖1-40所示。
圖1-37 75°主偏角刀片
圖1-38 45°主偏角刀片
圖1-39 圓形刀片
圖1-40 刀桿形式
半精加工（中間階段加工，ISM）工序使用陶瓷刀片優點最明顯。可使用硅鋁氧氮陶瓷刀片，此類刀片具有出色的耐溝槽磨損性，并且與硬質合金牌號相比，可以使用更快的切削速度vc（150～280m/min）和較高的進給量fn（0.15～0.35mm/r），但是一定要使用穩定的裝夾和正確的切削液（流量比壓力更重要）。獲得最大生產效率的首選是CC6060陶瓷刀片，較不穩定工況的首選是CC6065。在加工時效處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等類型陶瓷刀具加工Inconel 718高溫合金（硬度38～46HRC），不同材質陶瓷刀片的起始切削參數推薦值見表1-63。
表1-63 不同陶瓷刀片的起始切削參數推薦值
加工耐熱優質合金材料時要使用正確的加晶須的合成型陶瓷刀片，供給充足的冷卻水，確保屑流無阻、工藝系統穩固及無振動傾向，盡量避免斷續車削，具體應用禁忌見表1-64。
表1-64 HRSA耐熱優質合金外圓車削用陶瓷刀片應用禁忌
（范存輝）
1.3.3 精確高壓內冷外圓車削刀具加工鈦合金應用禁忌
按照鈦成分的結構，鈦合金可分為α、α-β和β鈦合金3類，其中α鈦合金的機械加工性能最好。從α-β到β鈦合金，加工性能越來越差。由于鈦合金材料具有變形系數小，切削溫度高，單位面積上的切削力大，冷硬現象嚴重，以及刀具易磨損等切削特性，所以要求刀具材質具有抗磨性、抗塑變、抗氧化、高強度及刃口鋒利等特點。
由于鈦合金導熱系數很小，切削產生的大部分熱量都傳送到刀具上，所以切屑與刀具接觸面的切削溫度非常高。當車削鈦合金時應始終使用切削液，切削液流量應該大并且直接噴向切削刃，但傳統的切削液噴管裝置始終使刀片的最小區域暴露在冷卻區之外，大量的切屑阻礙了切削液到達刀片切削區域，使切削液無法穿透切屑和刀片之間。使用高精度切削液供應技術，切削液可穿透熱影響區，可更有效地冷卻刀片，不僅可以實現完全的切屑控制和溫度控制，切削速度可以加快20%，刀具壽命可延長50%，還可顯著改善斷屑。精確高壓冷卻和傳統切削液噴管冷卻的對比如圖1-41所示。
圖1-41 兩種冷卻方式示意
使用精確高壓內冷刀具加工鈦合金材料可以使切削液穿透熱影響區，可更有效地冷卻刀片，降低切屑和刀片接觸面積，降低切削熱，提高加工效率，延長刀具壽命。但此類刀具對機床及切削液的選用有一些特殊要求，具體應用禁忌見表1-65。
表1-65 精確高壓內冷外圓車削刀具加工鈦合金應用禁忌
（續）
（范存輝）
1.3.4 環氧件車削刀具應用禁忌
環氧件復合材料是玻璃纖維和一定比例的樹脂粘合，然后經加溫加壓制作而成。其在常溫下力學性能好，在高溫下電氣絕緣性能穩定，環氧零件加工及零件實物如圖1-42所示。環氧件在切削加工過程中，影響刀具壽命的因素和金屬材料加工一樣，主要有切削熱、切削刀和接觸的摩擦力。另外，環氧件復合材料里有玻璃纖維硬質點，類似于砂輪中的砂粒，對刀具切削刃口進行研磨，使刀具磨損加快，工件起層、掉渣、粉塵嚴重。它的切削加工完全不同于金屬材料的切削加工，其導熱性比金屬材料小得多，車削加工時散熱條件差，加工效率低，產品質量不穩定。環氧件在切削加工中，刀具幾何形狀決定了其切削性能，刀具材料決定其使用壽命。加工環氧件時，刀具材料是其切削性能的一個決定因素，必須合理選擇刀具材料。根據其加工特點，要求刀具材料和刀具幾何參數相對合理，既要耐磨、鋒利，又要散熱條件好，才能有效地加工，達到理想的刀具壽命。在實際加工過程當中應注意以下禁忌，具體見表1-66。
圖1-42 環氧零件加工及零件實物
表1-66 環氧件車削刀具應用禁忌
（常文衛、鄒毅）
1.3.5 鋁合金薄壁半球殼體車削禁忌
鋁合金薄壁半球殼體毛坯一般采用模壓與焊接制坯，毛坯內外表面需要采用數控車床車削成形。鋁合金薄壁半球殼體由于壁薄、剛性差，所以在車削過程中需考慮工藝系統的剛性，防止工件變形與車削過程中發生彈刀現象，確保工件的壁厚與工件表面的表面粗糙度滿足加工要求。車削鋁合金薄壁半球殼體忌直接夾持或壓緊工件，正確的做法是制作專用的型胎，夾壓工件，以確保加工過程中工藝系統的剛性。具體車削禁忌見表1-67。
表1-67 鋁合金薄壁半球殼體車削禁忌
（續）
（王華僑）
1.3.6 鎂合金鑄件車削刀具及切削參數選用禁忌
鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金。其特點是密度低、比強度和比剛度高、減振性能好、導電導熱性能良好、工藝性能良好、耐蝕性差、易于氧化燃燒以及耐熱性差。在實用金屬中是最輕的，其密度大約是鋁的2/3，是鐵的1/4，主要用于航空、航天、運輸和化工等行業。圖1-43所示為鎂合金鑄造飛機輪轂的車削加工。
圖1-43 鎂合金鑄造飛機 輪轂的車削加工
基于鎂合金特點，特別是其耐蝕性差、易于氧化燃燒及耐熱性差的特點，在車削時需要注意刀具和切削參數的合理選擇。具體選用禁忌見表1-68。
表1-68 鎂合金鑄件車削刀具及切削參數選用禁忌
（李創奇）
1.3.7 鎢銅合金加工中車刀應用禁忌
鎢銅合金是一種由體立方結構的鎢和面立方結構的銅所組成的既不相互固溶又不形成金屬化合物的兩種獨立混合組織，通常稱為偽合金，其銅含量一般為10%～50%，彈性模量E=239.79GPa，硬度約28HRC。因它既具有鎢的高強度、高硬度、低膨脹系數等特性，又具有銅的高塑性、良好的導電導熱性等特性，導致零件加工難度大，廢品率高。鎢銅合金加工中車刀應用禁忌見表1-69。
表1-69 鎢銅合金加工中車刀應用禁忌
（鄒峰）
1.3.8 R型圓弧車刀在整體輪加工中的應用禁忌
1.整體輪加工簡述
整體輪在機車轉向架中擔負著機車導向作用，又是整車中受力大、工作條件異常惡劣的關鍵部件，其質量狀態直接影響機車的安全運行。整體輪加工中，由于直徑和加工余量大、材料硬，導致刀具易磨損，尺寸精度不穩定，表面質量難達到設計要求，生產效率無法提高。針對大型鍛件零件加工，怎樣合理地選擇加工刀具和切削參數是實現整體輪高效、低耗、高質量加工的關鍵。
德國進口鍛件整體輪毛坯件如圖1-44所示，毛坯質量約為1000kg，鍛件的孔與外圓偏心較為嚴重。由于內外圓的偏心和輪廓直徑加工余量大，且輪坯表面附著硬度很高的氧化層及深陷的鋼印號，使整個切削成為具有較大沖擊負荷的間斷切削環境，切削刃很容易損壞，因此延長刀具的壽命和保持正常切削成為亟待解決的問題。
2.常用圓弧車刀（R型圓弧車刀）的結構及材料
圓弧車刀（R型圓弧車刀）由圓弧刀片和刀體兩部分組成，如圖1-45所示。一般刀體材料選用鉻鉬合金鋼，其中刀頭圓弧刀片材料采用硬質合金，夾緊螺釘一般選用SCM435合金鋼。此刀具適用于強力車削和仿形加工。
圖1-44 德國進口鍛件整體輪毛坯件
圖1-45 圓弧機夾可轉位車刀
1—圓弧刀片 2—刀體 3—刀頭 4—夾緊螺釘
3. R型圓弧車刀在整體輪實例加工中的應用與禁忌
（1）整體輪材料 整體輪材料等相關信息見表1-70。通過了解整體輪材質及硬度，在粗加工較大的鍛件毛坯時，會優先考慮刀具材料應具有較好的切削性能，因此在整體輪粗加工中應盡量選用優質高效刀具，才能充分發揮數控機床的高效率。
表1-70 整體輪材料相關信息
（2）R型圓弧車刀的優選性能比較及選用禁忌 使用?20mm和?28mm涂層硬質合金刀片加工整體輪時，兩種刀片切削三要素的比較見表1-71。
表1-71 兩種刀片實際加工中切削三要素的比較
?20mm的小直徑圓弧車刀及刀具組件如圖 1-46所示。R 型圓弧車刀的使用禁忌見表1-72。
圖1-46 ?20mm的小直徑圓弧車刀及刀具組件
表1-72 R型圓弧車刀應用禁忌
1）當鍛件余量較大時，往往需要多層車削。切削時，應避免切削刃直接接觸鍛件表面氧化皮或者坯件的表面；同時，背吃刀量應滿足3mm≤ap≤8mm，這樣不僅能夠提高刀具的切削性能，還能提高零件的生產效率。
2）R型圓弧車刀屬于重型切削的一種，禁止在接觸面積大、切削抗力大的場合切削，避免零件表面、機床振刀現象，防止機床受損。
3）刀具安裝時，刀體伸出盡可能短，夾緊必需牢固、穩定，避免加工過程中刀具松動和振刀引起刀具崩裂和“扎刀”現象。
4）由于刀片材料為涂層硬質合金，具有表面硬度高、耐磨性好等特點，因此在車削過程中，要合理使用切削液，降低切削熱，使車削過程保持在充分冷卻潤滑的環境下，從而使刀具充分發揮高速、強力切削等優越性，嚴格禁止不用切削液的“干切削現象”。
5）R型圓弧車刀從選型、試驗、數據比較等幾個階段的驗證，能夠在各種車型機車整體輪產品上進行重切削加工，推動了鍛件整體輪坯件切削的進步。
（鄒毅）
1.3.9 鈦合金加工參數選用禁忌
鈦合金由于具有密度小、強度高、耐腐蝕等諸多優點，因此被廣泛應用在各行各業，尤其是在航空航天領域。隨著航空器的性能越來越高，很多零件采用鈦合金代替鋁合金，但兩種材料的切削性能卻截然不同。加工鈦合金時，因未正確使用切削參數而容易導致機床內著火。鈦合金加工參數選擇禁忌見表1-73。
表1-73 鈦合金加工參數選用禁忌
Jetstream?系列刀具（見圖1-47）是通過刀體內的復雜機構將切削液引導至刀尖的前刀面位置，集中噴射在產生切削熱的刀尖部位，從而實現最佳冷卻效果。精加工時應選擇精加工導流器，使切削液更接近刀尖位置，實現更好的冷卻效果。
圖1-47 Jetstream?系列刀具
（宋永輝）