高速車(chē)削鈦合金時(shí)硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具的壽命分析*

李友生 吳沖滸 陳榮德

(廈門(mén)金鷺特種合金有限公司，福建廈門(mén) 361006)

鈦合金材料具有密度小、強(qiáng)度高、抗腐蝕性好等優(yōu)良特性［1－3］，在航空航天、汽車(chē)、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)它還具有導(dǎo)熱系數(shù)小、高溫化學(xué)活性大、彈性模量低、與其他金屬材料摩擦系數(shù)大等特性，所以就切削加工性而言，鈦合金材料又是一種典型的難加工材料［4－5］。實(shí)際生產(chǎn)中，鈦合金的切削加工通常都是在低速、低效和大量使用冷卻液的條件下進(jìn)行。

隨著刀具材料的不斷發(fā)展，刀具性能的不斷提高以及人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，鈦合金材料的高速干切削或準(zhǔn)干切削技術(shù)成為可能，并逐步成為一種發(fā)展趨勢(shì)。但目前，關(guān)于如何指導(dǎo)鈦合金的高速干切削加工的研究并不多。本文中，筆者采用硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金TiAlN涂層刀具在相同切削參數(shù)下對(duì)鈦合金(Ti－6Al－4V)進(jìn)行了高速干車(chē)削的正交試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的多元線性回歸分析，得到了兩種刀具材料在高速干車(chē)削鈦合金時(shí)的刀具壽命試驗(yàn)公式，從而為鈦合金的高速干切削技術(shù)的應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

在CA160車(chē)床上使用型號(hào)相同的硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金涂層刀具，配合型號(hào)為 DSSNR2020K12KC04的刀桿進(jìn)行高速干車(chē)削加工鈦合金試驗(yàn)，刀具的前角 γ0=15°，后角 α0=15°，主偏角Kr=45°，刀尖圓弧半徑r=0.8 mm。表1為硬質(zhì)合金刀具(A)和涂層刀具(B)的成分及性能。工件材料為T(mén)i－6Al－4V，主要成分為:6%Al，4%V，其余為 Ti。表 2為工件材料鈦合金的物理特性。采用三因素三水平的正交試驗(yàn)法對(duì)鈦合金進(jìn)行高速干切削試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3所示。刀具在切削一段路程后使用工具顯微鏡對(duì)后刀面的磨損進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量后刀具達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(VBmax=0.6 mm)時(shí)所對(duì)應(yīng)的刀具使用壽命。

表1 硬質(zhì)合金和涂層刀具的成分及性能

表2 工件材料鈦合金的物理特性

表3 所用切削參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)表

根據(jù)廣義泰勒公式，刀具的壽命經(jīng)驗(yàn)公式可以表示為［6－7］:

兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得:

lnT=lnCT+xlnv+ylnf+zlnap（2）

式中:T為刀具壽命，min;CT為刀具壽命系數(shù);v、f和ap為對(duì)應(yīng)表3中的切削參數(shù);x、y和z分別為各個(gè)切削參數(shù)對(duì)刀具壽命的影響指數(shù)。

通過(guò)9組正交試驗(yàn)，可以反求lnCT、x、y和z，從而求出刀具的壽命經(jīng)驗(yàn)公式。假設(shè)lnCT、x、y和z分別為β0、β1、β2和 β3，而參數(shù) lnT、lnv、lnf和 lnap設(shè)為y、x1、x2和x3，則刀具壽命公式的數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為［8－9］:

若不考慮試驗(yàn)誤差的影響，由最小二乘法可知:

式中:X′是X的轉(zhuǎn)置矩陣，(X′X)－1為X′X的逆矩陣。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)所獲得兩種刀具的使用壽命見(jiàn)表4所示。

2.1 切削參數(shù)對(duì)刀具壽命的影響

從表4可以看出當(dāng)3個(gè)切削參數(shù)都選用最低水平時(shí)(試驗(yàn)1)，兩種刀具的使用壽命都可以超過(guò)100 min，而隨著所選用的切削參數(shù)值越來(lái)越高，刀具的使用壽命急劇減少，甚至只有幾分鐘。

根據(jù)正交試驗(yàn)的結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算，通過(guò)多元線性回歸分析可以求出刀具的壽命經(jīng)驗(yàn)公式。硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金涂層刀具的壽命經(jīng)驗(yàn)公式分別用式(5)和(6)來(lái)表示:

表4 兩種不同刀具的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式中可看出，高速干車(chē)削鈦合金時(shí)，兩種刀具的壽命與切削參數(shù)之間均有著相同的變化規(guī)律:3個(gè)切削參數(shù)對(duì)于刀具的壽命均為負(fù)影響，即隨著3個(gè)切削參數(shù)的增加，刀具壽命都會(huì)隨之減小，但三者對(duì)刀具壽命的影響程度各不相同，其中速度v對(duì)硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具的使用壽命影響最大，其次是進(jìn)給量f，對(duì)刀具壽命影響最小的是切深ap。

切削加工鈦合金時(shí)，切削速度對(duì)刀具壽命的影響顯著。這是因?yàn)殁伜辖鹋c刀具材料的摩擦系數(shù)大，在高速切削加工時(shí)，切屑與刀具表面在極大壓力下劇烈摩擦，瞬時(shí)產(chǎn)生很高的切削溫度，而鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，切削時(shí)切屑帶走的熱量較少，更多的熱量集中在刀具表面，形成很高的切削溫度，高的切削溫度會(huì)軟化刀具材料，極大降低了刀具的使用性能，從而嚴(yán)重影響刀具的使用壽命［10］。

2.2 涂層對(duì)刀具壽命的影響

從表4中，還可以發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金涂層與未涂層刀具所表現(xiàn)的性能是各不相同的?？傮w而言，涂層刀具的使用壽命比未涂層刀具的壽命要高，但是在試驗(yàn)3、5、7中出現(xiàn)了相反的情況，此時(shí)涂層刀具的壽命反而低于未涂層刀具的壽命。分析試驗(yàn)3、5、7所對(duì)應(yīng)的加工參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，這3組試驗(yàn)中，所用的切削速度均為100 m/min，是本次實(shí)驗(yàn)中的最高速度，這說(shuō)明低速切削加工鈦合金時(shí)，在刀具壽命方面，涂層刀具的優(yōu)勢(shì)明顯好于未涂層刀具，而切削速度較高時(shí)，涂層刀具的優(yōu)勢(shì)迅速減小，甚至優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱觿?shì)。從公式(5)和公式(6)中切削速度v的系數(shù)也可以看出，切削速度對(duì)于涂層刀具的影響程度大于對(duì)未涂層刀具的影響。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因與刀具的磨損形式和磨損機(jī)理有關(guān)。低速切削時(shí)，涂層刀具表面的涂層材料硬度較高、抗氧化溫度較高、涂層與工件材料的摩擦系數(shù)較低，低速切削加工時(shí)，刀具表面的涂層能很好地保護(hù)刀具基體，從而延長(zhǎng)了刀具壽命;而高速切削時(shí)，由于切削溫度非常高，當(dāng)切削溫度高于涂層材料承受的溫度時(shí)，涂層就喪失了保護(hù)作用，此時(shí)涂層刀具和未涂層刀具的使用壽命相差無(wú)幾。

2.3 刀具壽命公式驗(yàn)證

依據(jù)正交試驗(yàn)得到的刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式，可以繪制不同切削參數(shù)下刀具的使用壽命理論曲線。

在不同于正交試驗(yàn)的切削參數(shù)下再進(jìn)行刀具的切削試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證得到的刀具壽命與刀具壽命理論曲線相比較，從而可以檢驗(yàn)刀具壽命公式的準(zhǔn)確性。圖1為兩種刀具的切削試驗(yàn)驗(yàn)證壽命與刀具壽命理論曲線對(duì)比，其中兩種刀具試驗(yàn)驗(yàn)證的切削參數(shù)分別為:v=70 m/min，f=0.1 mm/r，ap=0.4 mm;v=90 m/min，f=0.1 mm/r，ap=0.4 mm。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn):刀具切削驗(yàn)證點(diǎn)的使用壽命都與刀具理論壽命曲線非常接近，這說(shuō)明通過(guò)線性回歸分析得到的刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式是比較準(zhǔn)確的，壽命經(jīng)驗(yàn)公式可以作為高速干切削加工鈦合金材料的指導(dǎo)依據(jù);通過(guò)正交試驗(yàn)及切削驗(yàn)證試驗(yàn)，還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度低于85 m/min時(shí)，硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具的實(shí)際使用壽命會(huì)略高于刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值，而這又可以在自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床上作為加工機(jī)床換刀的依據(jù)。在線刀具磨損檢測(cè)一直是一個(gè)懸而未決的難題，這就使得帶刀庫(kù)的數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)換刀時(shí)缺乏有力支撐。當(dāng)?shù)毒吣p量較小時(shí)自動(dòng)換刀會(huì)造成刀具的浪費(fèi)，在刀具已磨損過(guò)大時(shí)再換刀容易造成工件材料的報(bào)廢，而采用比較準(zhǔn)確的刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式作為自動(dòng)換刀的依據(jù)往往是一個(gè)切實(shí)可行的方法。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)合理選擇切削參數(shù)使用硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金TiAlN涂層刀具進(jìn)行Ti－6Al－4V鈦合金的高速干切削正交試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)多元線性回歸分析得出硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具的壽命經(jīng)驗(yàn)公式，研究結(jié)果表明，隨著所選用的切削參數(shù)值的升高，刀具的使用壽命急劇減少，其中速度v對(duì)刀具使用壽命的影響最大。涂層刀具在低速切削加工鈦合金時(shí)其壽命優(yōu)勢(shì)大于未涂層刀具，但隨著速度的提高，涂層刀具的優(yōu)勢(shì)迅速減小。當(dāng)切削速度小于85 m/min，刀具壽命經(jīng)驗(yàn)公式可以作為數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀的刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)。

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