高速銑削鈦合金刀具磨損對表面粗糙度影響的研究*

姜增輝　魯康平　孫晉亮　高鵬程　仵珍稷

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

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高速銑削鈦合金刀具磨損對表面粗糙度影響的研究*

姜增輝魯康平孫晉亮高鵬程仵珍稷

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

采用對比實(shí)驗(yàn)法，使用S30T硬質(zhì)合金刀具對鈦合金進(jìn)行高速干式銑削，研究了在正常磨損階段，主要銑削參數(shù)改變時刀具磨損對表面粗糙度的影響。結(jié)果表明：高速銑削鈦合金時可得到較小的表面粗糙度值；銑削速度增加時，隨刀具磨損的增大表面粗糙度值呈減小的趨勢;銑削深度增大時，隨刀具磨損的增大表面粗糙度值呈增大的趨勢；每齒進(jìn)給量增大時，隨刀具磨損的增大表面粗糙度值呈先增大后趨向平穩(wěn)的趨勢。

鈦合金；高速銑削；銑削參數(shù)；刀具磨損；表面粗糙度

鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗腐蝕性好等優(yōu)良性能，在航空航天工業(yè)中得到了廣闊應(yīng)用。同時，它在切削加工中又表現(xiàn)出化學(xué)活性大、變形系數(shù)小、熱傳導(dǎo)率低等特點(diǎn)，是典型的難加工材料[1-3]。高速切削不僅可以大幅度提高切削效率，而且有利于提高加工精度和表面質(zhì)量[4-7]，在鈦合金的加工中逐漸得到應(yīng)用。盡管如此，在鈦合金的切削加工中刀具易磨損仍然會對工件的表面粗糙度造成不良影響，從而影響工件的使用。因此對高速銑削過程中刀具磨損對表面粗糙度影響的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。姚倡鋒，張定華等[8]研究了采用不同潤滑工藝與刀具前角高速銑削TC11鈦合金時工件的表面粗糙度，結(jié)果表明：采用乳化液比干切削加工的表面粗糙度值小，選用前角為8°的刀具時表面粗糙度值小。南京航空航天大學(xué)的孫厚忠，傅玉燦，劉鵬[9]采用正交試驗(yàn)和單因素相結(jié)合的方法對PCD刀具在更高速度用量下銑削鈦合金表面粗糙度做了重點(diǎn)研究，建立了表面粗糙度與銑削用量之間的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行方差分析，驗(yàn)證了模型的可靠度，研究了高速度范圍內(nèi)銑削用量、刀具磨損對表面粗糙度的影響規(guī)律。劉維偉，李鋒[10]研究了GH4169高速銑削參數(shù)對表面粗糙度影響的研究，得出了銑削參數(shù)對表面粗糙度影響的主次因素。

綜上所述，對高速銑削鈦合金時刀具磨損對表面粗糙度的影響進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為高效、高精度銑削加工鈦合金工件提供了參考依據(jù)。

1　試驗(yàn)設(shè)備與條件

(1)工件材料：試驗(yàn)所選的材料是TC4鈦合金厚板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1TC4的化學(xué)成分

元素CFeNOAlVHTiω/(%)0.10.30.050.025.5～6.83.5～4.50.015余量

(2)加工設(shè)備：本試驗(yàn)選用日本森精機(jī)機(jī)床廠生產(chǎn)的DuraVertical 635 eco精密銑床，如圖1所示，機(jī)床的工作臺面積尺寸為790 mm×560 mm，主軸最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，功率為11 kW。

(3)試驗(yàn)刀具：試驗(yàn)所用的刀具為可樂滿硬質(zhì)合金刀具，刀桿型號R390-025A25-11L，齒數(shù)為2，刀片型號 R390-11 T3 08M-PL，牌號為S30T。刀桿及刀片實(shí)物如圖2所示。

(4)測量設(shè)備：試驗(yàn)中表面粗糙度的測量選用TR100袖珍表面粗糙度儀，具體參數(shù)如表2所示。

表2TR100粗糙度儀參數(shù)表

測量范圍/μm掃描長度/mm示值誤差/(%)示值變動性/(%)0.05～106?±15<12

刀具磨損量的測量采用日本VHX-1000C型超景深顯微系統(tǒng)，如圖3所示。測量表面粗糙度時，選取后刀面磨損比較均勻區(qū)域，對磨損帶測量3次后取平均值。

2　實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用對比試驗(yàn)，銑削方式為順銑。分別通過表3～5的實(shí)驗(yàn)方案來對比研究不同銑削深度、每齒進(jìn)給量及銑削速度時刀具磨損對表面粗糙度的影響。

表3不同銑削速度時刀具磨損對表面粗糙度影響的切削參數(shù)

銑削速度/(m/min)銑削深度/mm每齒進(jìn)給量/(mm/齒)1000.40.11500.40.1

表4不同銑削深度時刀具磨損對表面粗糙度影響的切削參數(shù)

銑削速度/(m/min)銑削深度/mm每齒進(jìn)給量/(mm/齒)1000.40.11000.80.1

表5不同每齒進(jìn)給量時刀具磨損對表面粗糙度影響的切削參數(shù)

銑削速度/(m/min)銑削深度/mm每齒進(jìn)給量/(mm/齒)1000.40.11000.40.2

為了保證測量的準(zhǔn)確性，每組試驗(yàn)在進(jìn)行時每銑削一定長度就停下來測量粗糙度的值及刀具磨損量，待加工工件及粗糙度測量現(xiàn)場如圖4所示。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1不同銑削速度條件下刀具磨損對表面粗糙度的影響

對表3的切削參數(shù)得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理后得到銑削速度對表面粗糙度及刀具磨損影響的直觀分析圖如圖5所示。

如圖5所示，在銑削深度為0.4 mm，進(jìn)給量為0.1 mm/齒的情況下，當(dāng)銑削速度為100 m/min時，隨著刀具磨損VB的增大，表面粗糙度Ra呈現(xiàn)減小的趨勢；當(dāng)銑削速度為100 m/min和150 m/min時，隨著刀具磨損VB的增大，表面粗糙度Ra均呈現(xiàn)減小的趨勢。因此，當(dāng)銑削速度增大時，刀具磨損量對表面粗糙度的影響不大。這是因?yàn)?，隨著銑削速度的增大，切削區(qū)的溫度提高，使金屬的韌性增加，在切削熱的高溫作用下，金屬邊層軟化，使摩擦系數(shù)減小，表面粗糙度值也進(jìn)一步減小[11]。

3.2不同銑削深度條件下刀具磨損對表面粗糙度的影響

對表4的切削參數(shù)得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理后得到銑削深度對表面粗糙度及刀具磨損影響的直觀分析圖如圖6所示。

如圖6所示，在銑削速度為100 m/min，進(jìn)給量為0.1 mm/齒的條件下，當(dāng)銑削深度為0.4 mm時，隨著刀具磨損VB的增加表面粗糙度Ra呈現(xiàn)減小的趨勢；當(dāng)銑削深度為0.8 mm時，隨著刀具磨損VB的增加表面粗糙度Ra呈現(xiàn)增大的趨勢。這是因?yàn)殂娤魃疃鹊脑龃髮?dǎo)致銑削面積增大，刀具磨鈍，切削力增大，從而導(dǎo)致表面粗糙度值變大。因此，當(dāng)增大銑削深度時，表面粗糙度值隨刀具磨損的增大而增大。

3.3不同每齒進(jìn)給量條件下刀具磨損對表面粗糙度的影響

對表5的切削參數(shù)得到的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理后得到每齒進(jìn)給量對表面粗糙度及刀具磨損影響的直觀分析圖如圖7所示。

如圖7所示，在銑削速度為100 m/min，銑削深度為0.4 mm的條件下，當(dāng)進(jìn)給量為0.1 mm/齒時，隨著刀具磨損VB的增加表面粗糙度Ra呈現(xiàn)減小的趨勢；當(dāng)進(jìn)給量為0.2 mm/齒時，隨著刀具磨損VB的增加表面粗糙度Ra呈現(xiàn)先增大后趨向平穩(wěn)的趨勢。究其原因，主要可分為以下兩點(diǎn)：

(1)如圖8所示。當(dāng)每齒進(jìn)給量變大(f2﹥f1)時，留在工件表面的殘余面積就變大(h2﹥h1)，即表面粗糙度的理論值變大。當(dāng)同時將表面粗糙度的值變化0.1 μm時，采用較大每齒進(jìn)給量的工件表面殘余面積變化率較小。

(2)在每齒進(jìn)給量不變的情況下，當(dāng)?shù)毒吣モg以后，留在工件表面殘余量面積(用輪廓高度h代替)變小，即h2

由此可見，當(dāng)每齒進(jìn)給量增大時，表面粗糙度的值隨刀具磨損量的增大而增大；表面粗糙度值的變化率隨刀具磨損量的增大而減小。

4　結(jié)語

通過高速銑削鈦合金時刀具磨損對表面粗糙度的影響的研究，得到正常磨損階段的結(jié)論如下：

(1)高速銑削鈦合金時表面粗糙度最小可達(dá)到0.15 μm。

(2) 銑削速度增加時，隨刀具磨損的增大表面粗糙度呈減小的趨勢。

(3) 銑削深度增大時，隨刀具磨損的增大表面粗糙度呈增大的趨勢。

(4) 每齒進(jìn)給量增大時，隨刀具磨損的增大表面粗糙度呈先增大后趨向平穩(wěn)的趨勢。

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Research on the effects of tool wear on surface roughness of high speed milling of titanium alloy

JIANG Zenghui, LU Kangping, SUN Jinliang, GAO Pengcheng, WU Zhenji

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, CHN)

S30T carbide cutting tools was used for high speed dry milling of titanium alloy by contrast experiment method, study the influence of tool wear on surface roughness when the main milling parameters changed in normal wear stage. The results show that: high speed milling of titanium alloy can get smaller surface roughness; the surface roughness decreases along with the increase of tool wear trend when the milling speed increases; when the milling depth increase, the surface roughness shows a trend of increasing along with the increase of tool wear; with the increase of tool wear, when the feed per tooth increases, the surface roughness becomes smooth after the first increasing trend.

titanium alloy; high speed milling; milling parameters; tool wear; surface roughness

TG506

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.026

姜增輝，男，1971年生，博士，教授，研究方向?yàn)楦咚佟⒏咝邢骷夹g(shù)方面研究。

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2016-06-14)

161030

*國家科技重大專項(xiàng)(2012ZX04003-061)