鈹金屬機(jī)械加工1982年7月22日布拉什.維爾曼公司(BRUSHWELLMANINC.)前言機(jī)械加工定義為使用刀具將材料以切屑的形式從工件上去除的方式。這涉及工件材料，機(jī)床，卡具，刀具和切削液。皺是一種稀有的金屬，擁有與絕大多數(shù)材料不同的性能。當(dāng)掌握了它的特性并遵循一些基本原則，皺材并不難以加工。為了幫助皺加工發(fā)表了眾多文章和研究文獻(xiàn)，但是缺乏收集當(dāng)前完整的數(shù)據(jù)。布拉什.維爾曼公司時(shí)常會接到新用戶的電話提問，主要是關(guān)于皺加工非常基本的信息。編制這份簡介的目的是使?jié)撛诘挠脩羰煜ぐ櫘a(chǎn)品，使他們掌握一些制造出合格皺產(chǎn)品的機(jī)加常識。這個(gè)指導(dǎo)資料集合了個(gè)人和皺加工生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，但僅僅借助這份資料不會使用戶成為專家。這個(gè)簡介收集了來自多個(gè)方面的知識，希望為新用戶提供一個(gè)參考或切入點(diǎn)。簡介金屬皺是從綠柱石或硅皺石中提煉出來的，通過一系列漫長化學(xué)處理工藝獲得了皺珠。皺珠然后真空熔煉成皺錠或者碾壓成粉末(作為真空熱壓皺材或其他特種粉末冶金材料的原材料)。真空熱壓包套通常制成圓柱形，用以隔絕外界污染并按照不同用戶的需求制成不同的尺寸。當(dāng)前超過90%的皺材制備設(shè)備都采用這一工藝。皺粉末也可以不經(jīng)過燒結(jié)、熔鑄而固結(jié)，比如真空熱壓后的冷等靜壓、冷等靜壓或真空熱壓后的熱等靜壓。皺也可以通過特殊生產(chǎn)線制成熱壓皺箔片，拉拔皺絲。這份簡介主要是關(guān)于機(jī)加絕大多數(shù)真空熱壓材料的基本原則。并不包括特殊材料。布拉什.維爾曼公司提供了5種常用皺材牌號。這些牌號按照可加工性排序如下：1)S-200通用牌號；2)S-65高延伸率結(jié)構(gòu)牌號；3)I—70光學(xué)牌號；4)I-220慣性儀表牌號(微屈服強(qiáng)度5KSI)；5)I—400慣性儀表牌號(擁有卓越的尺寸穩(wěn)定性和微屈服強(qiáng)度8KSI)。(1KSI=6?89N/mm2)這份簡介中關(guān)于可加工性的說明適用于所有牌號的皺材。進(jìn)給速度、切削速度和切削深度是關(guān)于通用牌號S—200。在加工其他牌號皺材時(shí)，加工參數(shù)應(yīng)該更加保守，尤其是I-400牌號。I—400牌號中較高的氧化物含量和低的延伸率制約了這種材料的可加工性。如果加工I-400皺材不采用較為保守的參數(shù)，會導(dǎo)致材料崩碎。另外S-65牌號皺材的詳盡加工參數(shù)可以查閱空軍材料實(shí)驗(yàn)室報(bào)告AFML-76-88《S-65熱壓皺材制備、材料特性以及機(jī)加工藝評估》，作者是BrushWellman公司BryceKing。盡管皺材加工與其他材料不同，但是皺并不難以加工，而且必須了解這些不同點(diǎn)。皺材加工經(jīng)驗(yàn)與硬鑄鐵的比較相近。用于加工鑄鐵的刀具需要在幾何角度上稍作調(diào)整就適用于加工皺材。設(shè)定1113鋼的可加工性為100%，皺材的可加工性則為55%。盡管皺材的硬度相對較低(RB90或RC11)，但是刀具磨損快，且產(chǎn)生不連續(xù)切屑。當(dāng)選擇不適用的刀具幾何角度或刀具材料，會導(dǎo)致刀具切削刃磨損速度快。用于加工鑄鐵和非鐵系材料的第二類通用硬質(zhì)合金刀具牌號適用于皺材加工。在這個(gè)等級中可以選擇具體的刀具牌號例如ValeniteVC-2或相對應(yīng)的牌號。這種牌號的刀具適用于長工件的精密加工，切削刃能夠經(jīng)受的起數(shù)英里的切削路徑。獲得無損傷表層對于鈹材精密加工零件十分重要。表面損傷主要是以孿晶或微裂紋形式出現(xiàn)，他會使鈹材的延伸率降低到無損傷狀態(tài)的幾分之一。鈹材的機(jī)加工損傷通常采用合適的工藝手段消除例如去應(yīng)力熱處理或化學(xué)銑削。推薦采用附表A的化學(xué)銑削配比，單面厚度去除速率為0.0127mm/min，單面厚度應(yīng)去除0.1016mm。采用規(guī)范的機(jī)加工藝并在零部件使用前采用化學(xué)銑削的方法被證明是非常有效的。有些需要的情況下化學(xué)銑削的去除量會更多，但是尺寸公差不易保證。經(jīng)驗(yàn)證明當(dāng)化學(xué)銑削的去除量在0.1016mm時(shí)，仍可保持較嚴(yán)的尺寸公差。控制機(jī)加損傷的關(guān)鍵是防止刀具的過度磨損。磨損的刀具會引起深層的損傷。刀具壽命取決于刀具自身以及使用條件。經(jīng)過正規(guī)培訓(xùn)且經(jīng)驗(yàn)豐富的機(jī)加人員能夠確定刀具什么時(shí)候需要更換，精加工人員更應(yīng)該關(guān)注這一點(diǎn)。更為關(guān)鍵的經(jīng)驗(yàn)是控制機(jī)加工序的各個(gè)方面并建立安全的刀具更換間隔標(biāo)準(zhǔn)。不遵循上述規(guī)則會導(dǎo)致工件裂紋甚至報(bào)廢。由于切削應(yīng)力，鈹材極易造成微裂紋和孿晶等表層缺陷。切削刃作用過的加工表面會導(dǎo)致工件損傷。通過金相檢測方法可以測出損傷層的深度。孿晶和微裂紋等缺陷程度受材料特性、刀具幾何角度、進(jìn)給速度、切削速度、加工方法和十濕方法的綜合影響。表面損傷層必須控制在0.1016mm以內(nèi)。當(dāng)精加工完成后，通過化學(xué)銑削和去應(yīng)力熱處理的方法消除上述損傷。采用偏振光顯微鏡（250X）對試件剖面進(jìn)行金相檢測可以判斷機(jī)加工藝的恰當(dāng)與否。通用工藝說明需要特別關(guān)注在下面章節(jié)中關(guān)于鈹加工的討論。鈹是一種昂貴金屬。比較經(jīng)濟(jì)的手段是讓原料供應(yīng)商提供盡可能接近工件最終尺寸的毛坯。這樣機(jī)加生產(chǎn)商就可以減少在后續(xù)機(jī)加過程中切屑的產(chǎn)生。工件的剛性裝卡是非常重要的，否則會在切削的入刀點(diǎn)和出刀點(diǎn)發(fā)生崩碎或裂紋。刀具應(yīng)從無材料處切向有材料處。鈹加工時(shí)必須采用恰當(dāng)?shù)拟攭m抽排裝置和安裝位置。要定期開展鈹塵的監(jiān)測工作。在空氣中漂浮的鈹塵會引起一系列化學(xué)癥狀（鈹過敏）這些會損傷人體的機(jī)能，尤其是肺損傷。數(shù)十年前美國原子能委員會就頒布了當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)大氣中鈹濃度不應(yīng)該超過2mg/m2（一天8小時(shí)平均濃度），即使超過了上述平均水平，任何人都不允許暴露在超過25mg/m2的環(huán)境下。短期濃度達(dá)到或超過25mg/m2的最大允許接觸時(shí)間不能超過1個(gè)半小時(shí)。經(jīng)過多年實(shí)踐證明這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是有效的。鈹在粗加工時(shí)通常采用干切削的方式，主要是因?yàn)楦蓛舻拟斍行急阌诨厥杖蹮捬h(huán)使用。通過采用高效抽風(fēng)系統(tǒng)將鈹屑抽存在55加侖的鋼罐中。當(dāng)需要在鈹材上鉆深孔、攻絲或者有高公差、高刀具壽命，無表面損傷要求時(shí)應(yīng)使用切削液。不推薦使用含硫和含氯的乳化液，因?yàn)樗鼤?dǎo)致鈹材腐蝕或表面發(fā)花。當(dāng)使用切削液時(shí)，工件在機(jī)加后必須嚴(yán)格用標(biāo)準(zhǔn)或MEK溶液完全清洗干凈并烘干。使用切削液的優(yōu)點(diǎn)是有助于降低鈹塵。使用切削液的缺點(diǎn)是使清洗回收費(fèi)用增加從而使鈹屑回收價(jià)格（材料供應(yīng)商回收）降低。相對而言鈹材是一種較軟的材料，所以建議使用軟爪裝卡工件并盡可能增加接觸面積。同時(shí)使用切削液和黃銅卡具時(shí)，應(yīng)密切留意電池效應(yīng)的發(fā)生（導(dǎo)致腐蝕)。熱壓鈹錠在高溫下可以軋成鈹薄片。軋制成型速度要低于鋁材，但是軋制工具和工藝成本比較接近。鈹結(jié)構(gòu)件的組裝可以使用絕大多數(shù)技術(shù)例如機(jī)械緊固，鉚，粘結(jié)，釬焊，熔焊。但是應(yīng)該盡量避免采用熔焊工藝，因?yàn)樗麜?dǎo)致晶粒過渡增大，降低機(jī)械特性。所有傳統(tǒng)機(jī)加工都可以用在鈹加工上，包括線切割和電火花。然而鈹粉塵和鈹鹽會導(dǎo)致健康損害，所以必須在具備特殊條件的廠房進(jìn)行。常用的鈹機(jī)加手段如車、磨、鉆、銑、研會在下面的章節(jié)中討論。關(guān)于鈹加工采用的電火花，線切割，化銑等非常規(guī)工藝方法推薦查閱Battel金屬與陶瓷信息中心的MCIC-72-03號報(bào)告《鈹材的非傳統(tǒng)加工》。車削、鏜削、銑削鈹材是一種相對較軟的材料，所以所有牌號的鈹材的加工均推薦使用正前角的刀具。加工軟材料容易在刀具的前刀面形成月牙洼，采用正前角是有利于避免上述情況。用于車削、鏜削、銑削鈹材的單點(diǎn)刀具必須具有鋒利的刀刃角度(主后角6°，副后角10°。)。當(dāng)?shù)毒卟捎?-5°的正前角時(shí)加工效果最好，有時(shí)還可以采用的0°后角。為了減少切削應(yīng)力，刀尖圓弧半徑或倒角應(yīng)盡可能小。鈹材加工幾乎全部采用硬質(zhì)合金刀具。由于鈹材的研磨作用，應(yīng)該采用活頂尖頂持。使用切削液可以提高切削效果并可控制鈹塵飛揚(yáng)，這對于操作者非常重要。在鈹材精加工時(shí)最好采用切削液。ProchemTripleC5505是專門為鈹材加工設(shè)計(jì)的刀具牌號。只有在特殊的條件下采用干式加工，例如在某些場合需要收集干燥的切屑用來進(jìn)行后續(xù)的化學(xué)分析。使用切削液可以降低加工成本，因?yàn)閷τ谀承┨胤N加工工藝，鈹塵抽塵裝置是非常昂貴的。鈹塵抽塵裝置必須位于刀具的右側(cè)以使切屑能夠及時(shí)的抽走。在切槽和鉆孔時(shí)必須采用切削液以使切屑能夠及時(shí)的從切削區(qū)域沖刷掉。使用切削液可以將切屑沖刷到切屑槽中，切屑應(yīng)保持潮濕狀態(tài)并經(jīng)常收集。切屑應(yīng)浸沒在切削液中，以防止切屑干燥后成為可以在空氣中飛揚(yáng)的鈹塵。鈹材粗車、粗銑、鉆鏜孔時(shí)切削速度為88.9到127mm/秒。精車關(guān)鍵尺寸時(shí)比較合理的切削速度為50.8到101.6mm/秒。在粗加工時(shí)的進(jìn)給速度為0.15到3mm/轉(zhuǎn)。在精加工時(shí)為了盡可能降低表面粗糙度，進(jìn)給速度應(yīng)低于0.013mm/轉(zhuǎn)。粗加工的切削深度通常為2.54到6.35mm。精加工時(shí)最大切削深度為0.762mm。典型粗加工轉(zhuǎn)速為70到125轉(zhuǎn)/秒。精加工時(shí)通常采用的轉(zhuǎn)速為30到60轉(zhuǎn)/秒。鈹材并不適于任何塑性加工，(Berylliumdoesnotlenditselftoanydwelltypeoperation，suchasgeneratingcornerradiibyplungingorchangingdirectionwhenturningandfacing)。連續(xù)切削加工，例如數(shù)控輪廓加工可以最大程度的降低切削熱裂紋，容易在瓷質(zhì)表面出現(xiàn)。鈹材工件容易在切出邊出現(xiàn)裂紋。采用小去量切削時(shí)可以避免上述裂紋的產(chǎn)生。兩端倒角(finishturningoneendforashortdistanceandthenreversingends，chamferingbothendspriortoturningorusing“runoff"material。)為了避免過大的切削應(yīng)力，精加工的切削深度不應(yīng)該超過0.762mm。在某些場合，一些機(jī)加人員采用逐次減少切削深度從而逐漸達(dá)到最終尺寸的方法。一系列的切削深度是0.762、0.508、0.254、0.127mm。這樣有助于減少表面損傷并提高表面質(zhì)量。精加工時(shí)采用的0.0254mm或更小的切削深度和10轉(zhuǎn)/秒的切削速度可以獲得高的表面質(zhì)量。卡盤裝卡時(shí)，三爪不應(yīng)該使用太大的卡緊力。為了避免裂紋或崩碎，精加工時(shí)應(yīng)采用定做的軟爪裝卡。軟鋼、鋁或者膠木通常用作軟爪的材料。使用軟爪的同時(shí)使用水基切削液，應(yīng)注意在某些時(shí)候水基切削液與軟爪和鈹材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鈹材腐蝕。由于鈹材的延伸率低，在加工無支撐的長徑比大的細(xì)長工件時(shí)應(yīng)注意。精加工時(shí)應(yīng)避免使用寬幅刀具?？准庸r(shí)應(yīng)盡量采用鏜而不是鉸的方式。如果需要鉸孔，需準(zhǔn)備正螺旋前角鉸刀。MadisonorDavis型機(jī)卡鏜刀可以高效加工鈹材并保證尺寸和表面質(zhì)量要求。通過使用柔性攻絲裝置、先進(jìn)刀具和控制規(guī)范，所有操作者都可以在鈹上攻絲。應(yīng)盡量避免斷續(xù)切削(尤其是在精加工過程中。)有時(shí)在粗車毛坯料時(shí)無法避免，例如將方料車成圓棒。大刀尖圓弧半徑的非涂層刀具在惡劣的斷續(xù)粗加工時(shí)表現(xiàn)十分卓越。在某些場合下切削深度要超過6.35mm。使用SPU633機(jī)卡刀片有一個(gè)特例(werecircumferentiallylocatedinabarturningdevicethatliterallychewsupthestockatfeedratesof)在0.2032到0.254mm/轉(zhuǎn)或50.8到63.5mm/秒的進(jìn)給速度。在粗車后，為了隨后的精車單邊留有0.762到1.524mm余量。精車的進(jìn)給速度91.44mm/秒或0.1778mm/轉(zhuǎn)。銑削適用于車削鈹材的成功經(jīng)驗(yàn)同樣適用于銃削鈹材。必須合理選擇設(shè)備、刀具和工藝。面銃刀的軸向前角，徑向前角和cornerangle一一對應(yīng)于車刀的縱向前角，橫向前角和cutting-edgeangle。通常根據(jù)刀具切削刃相對于工件的相互關(guān)系的定義角度。在一些機(jī)加工中最重要的角度是實(shí)際前角。實(shí)際前角直接影響在切屑形成過程中的剪切角，從而影響切削力，切削功率和切削熱。實(shí)際前角的正值越大，則切削力越小。鈹材是剛度高的材料，這導(dǎo)致刀具切削力的增大。工件被加工時(shí)，極易在刀具的切入和切出點(diǎn)出現(xiàn)裂紋或崩碎情況。采用恰當(dāng)?shù)墓に嚧胧┖吞厥獾那邢鞣绞娇梢钥刂七@種裂紋的產(chǎn)生。例如，在常規(guī)銃削中，在刀具切入點(diǎn)，工件并不容易產(chǎn)生損傷，因?yàn)榍邢髁ψ饔迷诖髩K剛度的材料上。如果不采用防護(hù)措施避免的話，在刀具的切出點(diǎn)會出現(xiàn)裂紋。另一種防護(hù)措施是在切出邊倒30°的倒角，可以消除裂紋的深度。刀具將逐漸從倒角邊切出。用面銃刀加工鈹材時(shí)，選擇正徑向和軸向前角。帶30°^045。倒棱或0.762到1.016mm倒角的硬質(zhì)合金機(jī)卡刀片會獲得良好的加工效果。必須預(yù)先關(guān)注邊緣崩碎的產(chǎn)生。順銃，加工鈹材時(shí)，刀具壽命非常重要，順銃會獲得更長的刀具壽命。順銃的切削力是指向工件和工作臺。切削刃不斷的切入工件，不會出現(xiàn)常規(guī)銃削中的沖擊。工件必須用剛性卡具可靠裝卡定位，防止刀具與工件之間的振動。面銃或粗銃通常采用干切方式。在刀具旋轉(zhuǎn)作用下，切屑混合著切削液會快速飛離刀具，而不會被抽走，產(chǎn)生不安全區(qū)域。刀具完全被抽塵氣流包裹，使所有的切屑和鈹塵被回收到特殊容器中。粗銃鈹材通常采用50.8到63.5mm/秒的線進(jìn)給速度，每齒進(jìn)給速度為0.254mm，切削深度為6.35mm。精銃的，最大切削深度為0.762mm，進(jìn)給速度為每齒0.0762到0.2032mm。最佳加工效果主要依靠工件和刀具系統(tǒng)的高剛度。由于刀具或工件系統(tǒng)剛度降低，使刀具震顫，噪聲增大會引起刀具的過度磨損或損壞，工件損壞，加工精度或表面粗糙度降低或超差。帶自動換刀系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床是切削加工的最佳設(shè)備。這些設(shè)備可以降低生產(chǎn)成本和加工一致性。更多的刀具可供選擇，切削速度和進(jìn)給自動控制，例如使用專為加工飛機(jī)剎車片上眾多特殊輪廓的槽位并避免銑削裂紋而設(shè)計(jì)的直徑6.35mm的三刃硬質(zhì)合金鍵槽銑刀。在粗加工時(shí)切削深度為6.35mm，切削速度為53340mm/min，進(jìn)給速度為152.4mm/min。精加工時(shí)切削深度為0.254mm，切削速度為45720mm/min，進(jìn)給速度為152.4mm/min。becauseofthemanytightturnsandmotioncrossoverpointsthisconfigurationrequired,astrong,toughtoolwasrequiredtotaketheload.當(dāng)使用立銑刀（端銑刀）時(shí)，更多的排屑槽，更大的剪切角，最大）.254mm的磨損寬度可以有效的避免切削損傷。在最初切削的時(shí)候，如果可能使用0.381-0.508mm的端銑刀（比較用于粗銑）?？梢允褂眯∮?2.7mm直徑的彈簧卡頭。當(dāng)使用更大直徑的端銑刀時(shí)，providesetscrewflatesontheshanks。彈簧卡頭容易發(fā)生松滑動。鉆削在鈹材上鉆孔和在其他材料上鉆孔沒有太大區(qū)別。由于以下因素導(dǎo)致問題產(chǎn)生：1）鈹材研磨造成刀具磨損；2）孔口崩碎（鈹材相對較低的延伸率）；3）要求高的扭矩和軸向力。另外其他應(yīng)該關(guān)注的是：鉆頭材料，鉆頭結(jié)構(gòu)，鉆頭的磨鈍和崩碎，鉆入振動，定心孔，鉆出邊增加進(jìn)給速度和使用手動機(jī)床時(shí)操作者的變更。當(dāng)其他因素都是一樣的時(shí)候，硬質(zhì)合金刀具要比高速鋼刀具更加適合鈹材鉆削。盡管標(biāo)準(zhǔn)的118°鉆頭尖角加工效果可以接受，當(dāng)鉆頭尖被磨鈍或鉆頭尖角增大會增加崩碎機(jī)率。Thinnedwebs鉆頭可以降低軸向力。鉆深孔時(shí)，推薦使用從鉆頭尖到鉆柄大約有0.1016mm的錐度的鉆頭以減少由于磨損和切削熱產(chǎn)生的切削阻力。鉆鈹材的切削速度和進(jìn)給速度與鉆鑄鐵區(qū)別不大。切削速度范圍從25到150SFM都可以獲得良好的加工效果。在絕大多數(shù)場合，采用的速度會選用這個(gè)范圍的中值。進(jìn)給速度選用范圍從0.01524mm/轉(zhuǎn)到0.03048mm/轉(zhuǎn)。在特別場合進(jìn)給速度會高達(dá)0.254mm/轉(zhuǎn)，當(dāng)然這并不是常規(guī)情況。鉆頭必須保持鋒利并避免缺口區(qū)域。鈹材比其他材料更加敏感這些條件。用中心鉆（底鉆）定心孔可以避免鉆頭在鉆入時(shí)的偏擺和振動，否則會導(dǎo)致孔口碎裂從而導(dǎo)致工件碎裂，尤其是在薄壁零件上鉆通孔時(shí)。當(dāng)鉆孔要求較高時(shí)不允許使用徒手鉆孔，在航天工業(yè)上采用的力矩監(jiān)控鉆卡頭已經(jīng)被證明是一種非常好的方法。使用這種設(shè)備，可以通過試驗(yàn)確定轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的允許值。由于扭矩主要由進(jìn)給速度決定，在鉆削的過程中或即將鉆穿時(shí)，鉆頭上的監(jiān)控計(jì)算機(jī)產(chǎn)生降低切削力的信號時(shí)，進(jìn)給速度會自動降低。磨鈍或破損的刀具會增加切削力并降低進(jìn)