刀具幾何參數(shù)對鈦合金銑削力和表面完整性的影響

譚　靚　張定華　姚倡鋒　任軍學

西北工業(yè)大學，西安，710072

刀具幾何參數(shù)對鈦合金銑削力和表面完整性的影響

譚靚張定華姚倡鋒任軍學

西北工業(yè)大學，西安，710072

針對TC18鈦合金銑削過程，采用正交試驗研究了硬質合金刀具幾何參數(shù)對銑削力和表面完整性的影響，建立了銑削力經(jīng)驗模型，并分析了銑削力對刀具前角、后角和螺旋角的絕對靈敏度和相對靈敏度；采用田口法分析了刀具幾何參數(shù)對表面粗糙度和表面殘余應力的影響。結果表明：大前角、小后角、大螺旋角的條件下銑削力較小，銑削力對刀具螺旋角的變化最敏感，對后角次之，對前角最不敏感；銑削表面均為殘余壓應力，刀具螺旋角對表面粗糙度的影響顯著，刀具后角對表面殘余應力的影響顯著。

鈦合金；刀具幾何參數(shù)；銑削力；表面完整性

0　引言

TC18(Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)鈦合金是20世紀60年代末前蘇聯(lián)開發(fā)的一種高強度鈦合金，屬于典型的(α+β)型鈦合金,具有強度高、韌性好、淬透性好和可焊接等優(yōu)點[1],被廣泛用于制造機身機翼和起落架裝置受力件、操縱系統(tǒng)接頭及緊固件，也可用于制造工作溫度不高于350°C的發(fā)動機風扇盤和葉片等[2]。

但是,鈦合金是一種典型的難加工材料，在加工過程中具有變形系數(shù)小、單位面積切削力大[3]、切削溫度高[4]、刀具磨損嚴重[5]、冷卻潤滑效果差[6]等問題。上述問題會影響構件的加工表面完整性，甚至在表面留下加工刀痕、劃傷或冶金缺陷等，造成構件局部應力集中，導致表面裂紋的萌生與擴展，進而影響構件的疲勞性能和服役性能。在鈦合金切削加工過程中表面完整性的優(yōu)劣與刀具性能有著密切的聯(lián)系，而可供選擇的刀具材料主要為硬質合金，因此研究刀具幾何參數(shù)對鈦合金銑削加工性能以及表面完整性的影響是十分必要的。

目前國內外學者針對刀具幾何參數(shù)對切削力、切削溫度和表面完整性的影響進行了大量的仿真和試驗研究。Wyen等[7]針對Ti6Al4V鈦合金正交切削過程，研究了刀具刃口圓弧半徑對切削力的影響。Hughes等[8]針對車削Ti6Al4V鈦合金,研究了不同刀具材料和幾何參數(shù)對刀具壽命和表面完整性的影響。López de Lacalle等[9]推薦銑削加工Ti6Al4V鈦合金的后角范圍為18°～20°,認為此時加工過程切削力較小。Shirase等[10]針對可變螺距立銑刀銑削過程，通過對切削力的數(shù)值分析，建立了數(shù)學模型并進行了驗證，得出變距立銑刀可以減小振動和表面誤差的結論。王洪祥等[11]對Ti6Al4V鈦合金銑削過程進行了有限元分析,研究了切削力和切削溫度隨刀具角度變化的規(guī)律，表明當?shù)毒咔敖菫?0°～20°，后角為12°～20°，螺旋角為30°～45°時比較適合Ti6Al4V鈦合金的銑削。吳紅兵等[12]采用正交切削數(shù)值模擬與試驗相結合的方法，研究了高速車削Ti6Al4V鈦合金過程中刀具幾何參數(shù)對切削力的影響規(guī)律。林琪等[13]采用有限元軟件研究了刀具齒數(shù)、前角、螺旋角對銑削Ti6Al4V時的銑削力和銑削溫度的影響規(guī)律，得到了最優(yōu)的刀具幾何參數(shù)組合,即螺旋角為45°、刀具齒數(shù)為3、前角為10.5°。

筆者針對TC18鈦合金銑削過程，通過正交試驗和表面完整性測試，開展立銑刀刀具幾何參數(shù)對銑削力、表面粗糙度和表面殘余應力的影響研究,為TC18鈦合金航空構件的銑削加工提供刀具選擇依據(jù)和方法。

1　試驗過程

1.1試件材料

采用超高強度TC18鈦合金作為試件材料，其化學成分和室溫下的力學性能如表1和表2所示。

表1　TC18鈦合金化學成分　%

表2　TC18鈦合金室溫下力學性能

1.2試驗方案

銑削試驗在VMC-850三坐標立式數(shù)控銑床上進行,主軸轉速為0～8000r/min,采用乳化液冷卻。刀具采用φ12R2整體硬質合金(K44UF,鈷領)四刃立銑刀,銑削方式為側銑、順銑。試驗參數(shù)選擇如下：主軸轉速為500 r/min,銑削深度為5 mm,銑削寬度為1 mm，進給速度為70 mm/min。

為了研究刀具前角、后角(測量平面為正交平面)和螺旋角對銑削力、表面粗糙度和表面殘余應力的影響,在瓦爾特(Walter)磨刀機上對采用三因素四水平L16(43)正交試驗設計的16種刀具進行制作，刀具幾何參數(shù)如表3所示。

表3　刀具幾何參數(shù)優(yōu)選試驗正交表L16(43)

1.3測試方法及結果

采用Kistler9255B三向動態(tài)壓電式測力儀對銑削力進行測試；采用MarSurf M 300 C便攜型表面結構測量儀對試件表面粗糙度進行測量,沿進給方向等距選取5個部位測量，取樣長度為0.8 mm，評定長度為5.6 mm;采用Alicona全自動刀具測量儀對試件表面形貌進行測試,選用10×物鏡;采用MXRD MG2000殘余應力測試分析系統(tǒng)沿進給方向測量試件表面殘余應力，測試采用Cu靶K-Alpha波段，靶電壓25 kV，靶電流30 mA，布拉格角142°，曝光時間2 s，曝光次數(shù)10次，焦斑大小φ2 mm。銑削力和表面完整性測試統(tǒng)計結果見表4。

表4　 銑削力和表面完整性測試結果

2　銑削力分析與討論

2.1銑削力直觀分析

圖1所示為不同刀具前角、后角和螺旋角下TC18鈦合金軸向力與徑向力合力的變化趨勢。從圖1可以看出，刀具前角增大，銑削力減小，刀具后角增大，銑削力先變大后減小，隨著刀具前角和后角的變化，銑削力總體變化不明顯，變化范圍在200～220 N之間；隨著螺旋角的增大，銑削力由304 N迅速減小到155 N。由此可知,銑削TC18鈦合金時,前角和后角對銑削力的影響遠遠小于螺旋角對銑削力的影響。其主要原因是螺旋角的變化使得銑削力的方向發(fā)生改變，從而改變了刀刃的受力情況；螺旋角較大時,增加了同時參與切削的齒數(shù)，銑削切入和切出過程平緩，排屑流暢，使得銑削力大大減小。

圖1　刀具幾何參數(shù)對銑削力的影響

2.2銑削力經(jīng)驗模型

由于除了角度以外的其他參數(shù)都是相同的，故依據(jù)Kienzle提出的切削力經(jīng)驗公式[14-15],銑削力與刀具前角、后角和螺旋角的函數(shù)關系式可表示為

(1)

式中,γ為前角;α為后角;β為螺旋角;k1、k2、k3、k4、k5均為待求常數(shù)。

將式(1)兩邊同時取對數(shù)，令y=lnF、x1=lnk1、x2=lnk2、x3=k3、x4=k4、x5=k5,并根據(jù)泰勒公式可得:

y=x1+x3x2+x4lnα+x5lnβ+

(2)

根據(jù)表4中銑削力數(shù)據(jù)，以最小二乘誤差平方和為目標,利用MATLAB數(shù)學軟件對式(2)進行求解,得到銑削力與刀具幾何參數(shù)關系的經(jīng)驗模型為

F=e1.369(e5.163-γ)1.401α0.227β-1.003

(3)

銑削力模型計算值與試驗測試值誤差在±20%范圍內,所建立的銑削力數(shù)學模型較好地擬合了試驗所測得的數(shù)據(jù)。結合銑削力與刀具幾何參數(shù)關系的經(jīng)驗模型,建立刀具幾何參數(shù)兩兩交互作用對銑削力的影響規(guī)律曲面，如圖2所示。

圖2a為刀具后角和螺旋角對銑削力的交互影響,最大銑削力出現(xiàn)在“小螺旋角+大后角”的區(qū)域，這是因為這種情況下排屑不流暢，最大銑削力為310.4 N;圖2b為刀具前角和螺旋角對銑削力的交互影響,最大銑削力出現(xiàn)在“小螺旋角+小前角”的區(qū)域，這主要是由于切削刃變鈍造成的，最大銑削力為311.3 N；圖2c為刀具前角和后角對銑削力的交互影響，最大銑削力出現(xiàn)在“小前角+大后角”的區(qū)域，最大銑削力為217.3 N。

2.3銑削力影響參數(shù)的靈敏度分析

為了識別刀具前角、后角和螺旋角對銑削力的敏感程度，得到影響顯著的變量,對式(3)求前角、后角和螺旋角的偏導數(shù)，得到銑削力對刀具幾何參數(shù)的絕對靈敏度:

(4)

(5)

(a)α和β(γ=10°)

(b)γ和β(α=13°)

(c)γ和α(β=45°)圖2　刀具幾何參數(shù)兩兩交互作用對銑削力的影響規(guī)律

(6)

由式(4)～式(6)可知:當后角和螺旋角不變時,銑削力對前角的絕對靈敏度隨前角的增大而減小;當前角和螺旋角不變時,銑削力對后角的絕對靈敏度隨后角的增大而減小;當前角和后角不變時,銑削力對螺旋角的絕對靈敏度隨螺旋角的增大而減小。圖3所示是根據(jù)式(4)～式(6)計算所得的試驗參數(shù)條件下銑削力對刀具前角、后角和螺旋角的絕對靈敏度分析結果，從圖3可以看出,銑削力對螺旋角的絕對靈敏度遠大于對前角和后角的絕對靈敏度。

圖3　銑削力對刀具幾何參數(shù)的絕對靈敏度

為了能夠從整體上綜合反映銑削力對刀具幾何參數(shù)的敏感程度，分別計算銑削力對刀具幾何參數(shù)的相對靈敏度:

(7)

(8)

(9)

從式(7)～式(9)可以看出,銑削力對刀具后角和螺旋角的相對靈敏度就是銑削力數(shù)學模型中相應參數(shù)的指數(shù)，而對刀具前角的相對靈敏度是關于前角的函數(shù)，分析此函數(shù)可得銑削力對刀具前角的相對靈敏度隨刀具前角的增大而減小。從結果來看，銑削力對螺旋角的變化最敏感,對后角次之,對前角最不敏感。因此，TC18鈦合金銑削過程中銑削力可以通過適當改變螺旋角大小來實現(xiàn)有效的控制。

3　表面完整性分析與討論

3.1表面粗糙度直觀分析

圖4所示為刀具幾何參數(shù)對表面粗糙度的影響趨勢。從圖4中可以看出隨著前角的增大,表面粗糙度出現(xiàn)折點，呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,當前角為8°時,表面粗糙度最小,Ra=0.16 μm；隨著后角的增大,表面粗糙度逐漸減小;而隨著螺旋角的增大,表面粗糙度先略微減小,之后明顯增大。

圖4　刀具幾何參數(shù)對表面粗糙度的影響

刀具前角由4°變化到8°的過程中,切削刃變得鋒利,切削力和切削變形減小，而由8°到16°繼續(xù)增大時,切削刃強度降低，系統(tǒng)振動加大，刀具受力情況變差，所以表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；刀具后角主要作用是減小切削過程中后刀面與已加工表面之間的摩擦以及后刀面的磨損,后角由10°到16°逐漸增大時,后刀面與已加工表面彈性恢復層的摩擦減小，表面粗糙度隨之減??；螺旋角由30°逐漸增大到40°,有利于切屑的排出，切削過程平穩(wěn)，因此表面粗糙度有所減小，而當螺旋角繼續(xù)增大,引起軸向力加大，切削振動嚴重，表面粗糙度增大。

圖5為銑削試件表面紋理圖，可以看出，試件表面為豎直狀均勻紋理,4號試件刀具螺旋角為60°，表面粗糙度Ra=0.209 μm，表面有明顯的劃痕;12號試件刀具螺旋角為40°,表面粗糙度Ra=0.117 μm,表面紋理清晰。這是由于螺旋角過大時,容易造成崩刀或者細小顆粒的產(chǎn)生，從而會導致表面產(chǎn)生劃痕，增大表面粗糙度。

(a)4號試件刀具，Ra=0.209 μm(b)12號試件刀具，Ra=0.117 μm圖5　銑削試件表面紋理

3.2表面殘余應力直觀分析

圖6所示為刀具幾何參數(shù)對表面殘余應力的影響趨勢。從圖6中可以看出銑削表面均為殘余壓應力，這表明在該銑削條件下擠光效應占主導地位，而塑性凸出效應和熱效應作用不明顯。刀具前角由4°到16°變化的過程中,殘余壓應力先增大后減小，這是由于前角增大，切削力減小，刀刃前方金屬壓縮變形減小,塑性凸出效應降低，殘余壓應力增大，而當前角過大時，刀具剛度降低，所以殘余壓應力有所減小。隨著刀具后角的增大，殘余壓應力逐漸減小，這是因為在銑削過程中，刀具后角變大，刀具后刀面與已加工工件表面的接觸長度減小，擠壓和摩擦作用隨之減小，最終使得已加工表面的殘余壓應力減小。當?shù)毒呗菪窃龃髸r，殘余壓應力呈現(xiàn)減小的趨勢，并在螺旋角為50°時，出現(xiàn)了折點。

圖6　刀具幾何參數(shù)對表面殘余應力的影響

3.3田口法分析

采用田口法分別對表面粗糙度和表面殘余應力進行分析，以確定最優(yōu)的刀具幾何參數(shù)組合方案。田口法的兩個主要工具是正交表和信噪比S/N。在信噪比S/N分析中，測量值靜態(tài)質量特性可以劃分為望目特性、望小特性、望大特性及百分率特性。在本文的研究中希望表面粗糙度越小越好、表面殘余壓應力越大越好，因此對表面粗糙度和表面殘余應力分別采用望小特性和望大特性來分析,計算公式如下:

(10)

(11)

式中,yi為第i次試驗結果,即試驗中表面粗糙度和表面殘余應力的測試值。

(a)表面粗糙度的S/N

(b)表面殘余應力的S/N圖7　刀具幾何參數(shù)對S/N比值影響趨勢圖

通過計算表面粗糙度和表面殘余應力的信噪比S/N，繪出刀具幾何參數(shù)各因素對S/N比值的影響趨勢,如圖7所示。由圖7可知,刀具幾何參數(shù)對表面粗糙度影響的主次順序依次為：螺旋角、后角、前角。對表面殘余應力影響的主次順序依次為：后角、螺旋角、前角。根據(jù)田口分析方法思想中S/N比值越大越好的原則，以表面粗糙度為指標,最優(yōu)的刀具幾何參數(shù)為：前角8°，后角16°,螺旋角40°。以表面殘余應力為指標，最優(yōu)的刀具幾何參數(shù)為：前角8°,后角10°,螺旋角30°。各個評價指標下，最優(yōu)的刀具幾何參數(shù)組合并不相同，因此要根據(jù)實際的加工情況，選擇重要的評價指標，以優(yōu)選刀具幾何參數(shù)。在本文中，綜合考慮銑削力、表面粗糙度和表面殘余應力，得到最優(yōu)的刀具幾何參數(shù)為：前角8°、后角10°、螺旋角40°，此時銑削力為200N,表面粗糙度Ra=0.175μm,表面殘余應力為-186.1MPa。

4　結論

(1)通過TC18鈦合金銑削試驗，研究了刀具前角、后角和螺旋角對銑削力的影響，建立了銑削力與刀具幾何參數(shù)關系的經(jīng)驗模型，大前角、大螺旋角和小后角的情況下，能夠獲得較小的銑削力，銑削力對螺旋角的變化最敏感，對后角次之，對前角最不敏感。

(2)對于表面粗糙度，刀具螺旋角的影響最大，后角次之，前角的影響最?。粚τ诒砻鏆堄鄳Γ毒吆蠼怯绊懽畲?，螺旋角次之，前角的影響最小，且銑削表面均為殘余壓應力狀態(tài)。

(3)通過控制刀具幾何參數(shù),可以減小銑削力,獲得良好的表面完整性,綜合考慮銑削力、表面粗糙度和表面殘余應力,在試驗參數(shù)范圍內,當?shù)毒咔敖沁x為8°、后角選為10°、螺旋角選為40°時，刀具切削性能最好。

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(編輯袁興玲)

Influence of Tool Geometrical Parameters on Milling Force and Surface Integrity in Milling Titanium Alloy

Tan LiangZhang DinghuaYao ChangfengRen Junxue

Northwestern Polytechnical University,Xi’an,710072

With regard to the milling process of TC18,the effect of tool geometrical parameters on milling force and surface integrity were studied based on orthogonal experimental method.An empirical model of milling force was built; the absolute and relative sensitivities of milling force with respect to rake angle, clearance angle and helix angle were analyzed; the effects of tool geometrical parameters on surface roughness and surface residual stress were investigated by Taguchi method.The results show that the milling force is small in the case of big rake angle,small clearance angle and big helix angle;the milling force is more sensitive to helix angle than clearance angle,least sensitive to rake angle;compressive residual stress can be detected on all the machined surface;the helix angle has significant effects on surface roughness,the clearance angle has significant effects on surface residual stress.

titanium alloy;tool geometrical parameter;milling force;surface integrity

2014-04-18

國家科技重大專項(2014ZX04012013)

TG714DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.06.006

譚靚，男，1988年生。西北工業(yè)大學機電學院博士研究生。主要研究方向為難加工材料表面完整性機械加工。張定華，男，1958年生。西北工業(yè)大學機電學院教授、博士研究生導師。姚倡鋒，男，1975年生。西北工業(yè)大學機電學院副教授。任軍學，男，1968年生。西北工業(yè)大學機電學院教授、博士研究生導師。