袁野,楊后川,崔季
(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京 100191)
超高強(qiáng)度鋼Aer Met100是美國(guó)Car Peter技術(shù)公司研制的一種與300M鋼同等強(qiáng)度、韌性更好、抗應(yīng)力腐蝕開裂能力更強(qiáng)的一種綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料[1]。鈦合金TB6(美國(guó)牌號(hào)Ti-10V-2Fe-3Al)是多金元素高強(qiáng)度鈦合金,具有比強(qiáng)度高、斷裂韌度好、各向異性小、抗應(yīng)力腐蝕能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)[2]。超高強(qiáng)度鋼和鈦合金由于其優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于航空關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件,起到了減輕武器裝備質(zhì)量、降低能耗等作用。但是,這兩種材料的切削加工性能較差,切削力大、切削溫度高、斷屑困難、刀具磨損嚴(yán)重等,尤其是刀具前、后刀面極易在已加工表面附近發(fā)生嚴(yán)重的邊界溝槽磨損,溝槽的擴(kuò)展速度很快,刀具切削部分磨損還較小時(shí),其邊界溝槽磨損已達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn),易導(dǎo)致刀具崩刃失效,壽命縮短。
本文對(duì)上述兩種材料進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn),對(duì)比固定切削深度(固定切深)銑削加工和改變切削深度(變切深)銑削加工方式的刀具磨損情況,分析了溝槽磨損與固定切深和均勻磨損與變切深之間的關(guān)系。
實(shí)驗(yàn)試件Aer Met100鋼的主要質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示,其力學(xué)性能如表2所示。TB6鈦合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3所示,屬β相固熔體組成的單相合金,其力學(xué)性能如表4所示。
表1Aer Met100鋼主要質(zhì)量分?jǐn)?shù) (%)
表2 室溫下Aer Met100鋼的力學(xué)性能
表3TB6鈦合金質(zhì)量分?jǐn)?shù) (%)
表4 室溫下TB6鈦合金的力學(xué)性能
切削實(shí)驗(yàn)在立式數(shù)控加工中心上進(jìn)行。Aer Met100鋼的實(shí)驗(yàn)刀具為可轉(zhuǎn)位圓刀片,刀具直徑為63 mm,刀片材質(zhì)為涂層硬質(zhì)合金,牌號(hào)為VP15TF;TB6鈦合金的實(shí)驗(yàn)刀具為可轉(zhuǎn)位方肩銑刀片,刀具直徑為50 mm,刀片材質(zhì)為涂層硬質(zhì)合金,牌號(hào)為S40T;銑削方式為單齒順銑;刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB=0.3 mm。
表5 Aer Met100鋼試驗(yàn)參數(shù)
表6 TB6鈦合金試驗(yàn)參數(shù)
說(shuō)明:變切深實(shí)驗(yàn)中的每層切深循環(huán)進(jìn)行,直至達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn);固定切深是按同一切深循環(huán)進(jìn)行,直至達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。
圖3(a)為試驗(yàn)條件下VP15TF涂層刀片銑削Aer Met100鋼時(shí)后刀面磨損量VB與切削時(shí)間T的曲線圖。VB達(dá)到0.3 mm時(shí),固定切深的刀具耐用度為41 min,變切深時(shí)為62 min。圖3(b)為試驗(yàn)條件下S40T涂層刀片銑削TB6鈦合金時(shí)后刀面磨損量VB與切削時(shí)間T的曲線圖。固定切深的刀具耐用度為27 min,變切深時(shí)為43 min。采用變切深法銑削Aer Met100鋼和TB6鈦合金,可提高刀具耐用度50%以上。
a)后刀面邊界溝槽磨損
圖1(a)和圖2(a)是固定切深方式銑削超高強(qiáng)度鋼Aer Met100和鈦合金TB6時(shí)的刀具磨損照片,刀具后刀面在已加工表面附近發(fā)生了嚴(yán)重的邊界溝槽磨損。這是由于刀具與工件接觸面切削溫度高,刀具與工件非接觸面溫度低,在刀具表面存在很高的溫度梯度,切削部分表面因反復(fù)熱脹冷縮,產(chǎn)生巨大的交變熱應(yīng)力,從而使刀片刃口處易產(chǎn)生疲勞開裂。工件材料屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)均較大,同時(shí)受加工表面硬化影響,工件已加工表面的硬度值將高于材料內(nèi)部,在周期性的強(qiáng)沖擊力作用下,形成了嚴(yán)重的邊界溝槽磨損,甚至出現(xiàn)貝殼狀剝落。此外,空氣中的氧更易進(jìn)入該部位切削區(qū),因而粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損最為嚴(yán)重,也加劇了邊界溝槽的產(chǎn)生[3-6]。
b)后刀面均勻磨損
圖1(b)和圖2(b)是變切深方式銑削超高強(qiáng)度鋼Aer Met100和鈦合金TB6的刀具磨損照片,只是在刀具后刀面形成了很多微小的缺口,并沒有產(chǎn)生大的溝槽型缺口。變切深銑削方式避免了刀具上同一點(diǎn)受到過(guò)多的沖擊損傷,而是充分利用了整個(gè)刀刃,實(shí)現(xiàn)了刀具的均勻磨損。
1)涂層硬質(zhì)合金刀具銑削Aer Met100鋼和TB6鈦合金時(shí),變切深銑削比固定切深銑削可提高刀具耐用度50%以上。2)固定切深銑削刀具受機(jī)械沖擊和交變熱應(yīng)力沖擊易出現(xiàn)邊界溝槽磨損,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)貝殼狀崩落;變切深銑削充分利用了刀具整個(gè)刀刃,避免了刀刃同一點(diǎn)受到過(guò)多的沖擊損傷,實(shí)現(xiàn)了刀具后刀面均勻磨損。在一般難加工材料銑削加工中,采用變切深銑削可避免嚴(yán)重的邊界溝槽磨損,有利于提高刀具耐用度,具有很大的優(yōu)越性。
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