進(jìn)給量對高速軸向車銑TC4鈦合金刀具磨損的影響*

姜增輝，孫晉亮，王書利，張瑩，魯康平

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159；2.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司特種機(jī)械廠，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

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進(jìn)給量對高速軸向車銑TC4鈦合金刀具磨損的影響*

姜增輝1，孫晉亮1，王書利2，張瑩2，魯康平1

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159；2.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司特種機(jī)械廠，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

為研究進(jìn)給量對軸向車銑TC4鈦合金刀具磨損的影響，試驗采用單因素法，在切削速度vc=100m/min，切削深度ap=5mm條件下，分別對高速軸向車銑鈦合金中軸向進(jìn)給量和每齒進(jìn)給量對刀具磨損的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：增加軸向進(jìn)給量和每齒進(jìn)給量的均會使刀具磨損加劇，但增加每齒進(jìn)給量對刀具磨損的加劇作用相對較低。通過增加每齒進(jìn)給量來提高軸向車銑鈦合金的切削除率，更有利于抑制刀具磨損的加劇。

TC4鈦合金；軸向車銑；每齒進(jìn)給量；刀具磨損

0 引言

TC4具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等特點，在航空航天、汽車、化工和醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著鈦合金零件需求的增加，鈦合金薄壁回轉(zhuǎn)體類零件的加工逐漸增多，這類零件剛度較差時采用軸向車銑加工可得到較好的加工質(zhì)量。軸向車銑是車銑加工的主要方式之一(如圖1所示)，可對回轉(zhuǎn)體工件的外圓或內(nèi)孔表面進(jìn)行切削加工，合理選擇刀具與切削參數(shù)可減小切削加工徑向力，易于按要求實現(xiàn)零件的形狀精度[4-5]。進(jìn)給量是切削加工的重要切削參數(shù)，由于軸向車銑同時具備車削、銑削的部分運動特征，它的進(jìn)給量由軸向進(jìn)給量、每齒進(jìn)給量兩部分構(gòu)成。軸向進(jìn)給量與車削加工中的定義類似，為工件每轉(zhuǎn)一周銑刀沿工件軸向的移動距離。每齒進(jìn)給量與銑削加工中的定義類似，為銑刀每轉(zhuǎn)一刃工件被加工表面沿其周向轉(zhuǎn)動的距離[6]。

圖1 軸向車銑外圓

鈦合金由于其導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性高等特性，使其在切削過程中切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重[7-8]，由于切削加工中進(jìn)給量的對刀具磨損有著重要的影響，因此深入研究軸向進(jìn)給量、每齒進(jìn)給量對軸向車銑加工鈦合金刀具磨損的影響具有重要意義。李友生等進(jìn)行鈦合金的高速干車削試驗，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損是刀具的磨損主要形式，且發(fā)生氧化磨損時刀具前刀面較后刀面嚴(yán)重[9]。王曉琴等通過試驗發(fā)現(xiàn)隨著切削速度的增加刀具的磨損加劇，順銑對延長鈦合金加工刀具壽命非常有利[10]。金成哲等通過車銑加工的試驗認(rèn)為車銑鋁合金的刀具磨損機(jī)理主要以刀具表層材料的黏結(jié)磨損為主, 而車銑不銹鋼的刀具磨損機(jī)理主要以刀具表層材料的疲勞—剝落磨損為主[11]。

綜上所述，目前對軸向車銑鈦合金的刀具磨損還缺乏深入的研究，本文通過實驗研究軸向進(jìn)給量、每齒進(jìn)給量對軸向車銑鈦合金刀具磨損的影響規(guī)律，對掌握車銑鈦合金的刀具磨損特點有一定參考價值。

1 實驗條件

1.1 工件材料

試驗采用的是直徑為φ160的TC4鈦合金棒料， TC4元素含量如表1所示。

表1 鈦合金TC4元素含量表

1.2 實驗銑刀

(a)R390-025A25-11L刀桿 (b)R390-11T308M-KL刀片

如圖2所示，本次實驗刀具選用山特維克可樂滿硬質(zhì)合金銑刀，刀片型號為R390-11T308M-KL，刀片牌號為S30t涂層刀片，刀桿型號為R390-025A25-11L。表2為刀片的幾何參數(shù)。

表2 刀片幾何參數(shù)

1.3 試驗機(jī)床

軸向車銑鈦合金試驗在MAZAK200Y五軸四聯(lián)動臥式車銑加工中心上完成(如圖3所示)。車銑加工中心參數(shù)如表3所示。

圖3 MAZAK200Y臥式車銑加工中心

銑削最大轉(zhuǎn)速(rpm)功率(kW)回轉(zhuǎn)直徑(mm)加工長度(mm)1000022.355401020

1.4 試驗測量設(shè)備

試驗采用基恩士VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)對磨損后的刀片進(jìn)行觀測，觀察刀具磨損區(qū)域形貌及測量刀具磨損量。如圖4所示為VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)。

圖4 超景深三維顯微系統(tǒng)

2 實驗方案

試驗采用單因素實驗法。實驗過程中，每次切削一定長度，卸下刀片測量其磨損值VB，再次裝回進(jìn)行切削，一直達(dá)到其磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。通常設(shè)定磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為磨損量VB=0.3mm。根據(jù)刀具磨損情況，實驗過程中一般取4～7個測量值即可。

表4為研究軸向進(jìn)給量對刀具磨損影響的實驗方案，表5為研究每齒進(jìn)給量對刀具磨損影響實驗方案。實驗選用干切削、順銑方式。

表4 軸向進(jìn)給量對刀具磨損影響實驗方案

表5 每齒進(jìn)給量對刀具磨損影響實驗方案

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 刀具磨損的形態(tài)與特征

圖5顯示了切削路程為45m時刀具的磨損形態(tài)。前刀面磨損后呈現(xiàn)出月牙洼形態(tài)，月牙洼較窄，位置靠近刀片刃口。鈦合金切削塑性相對較小，在切削過程中切屑與工件基體分離后，在與前刀面的摩擦過程中會迅速卷曲，并脫離與前刀面的摩擦，因此磨損形成的月牙洼窄，且靠近刃口。同時，切屑與前刀面接觸面積較小，導(dǎo)致切削熱與壓力積聚，使第二變形區(qū)切削條件惡化，加劇了前刀面的刀具磨損。后刀面呈溝槽磨損形態(tài)。由于鈦合金彈性模量小，已加工表面會產(chǎn)生較大回彈，加劇了工件材料對后刀面的擠壓與摩擦，使后刀面產(chǎn)生明顯的溝槽磨損。

前刀面 后刀面

vc=100m/min，ap=5mm，fa=0.8mm/r，fz=0.1mm/r，L=45m

圖5 軸向進(jìn)給量對刀具磨損形態(tài)的影響

從圖5還能夠觀察到由于高溫高壓作用，在刀具刃口附近形成明顯的鈦合金切屑粘結(jié)，這種粘結(jié)在切削過程中會不斷形成與脫落，并在脫落時帶走少量刀具材料，從而形成刀具的粘結(jié)磨損。對于軸向車銑鈦合金加工，粘結(jié)磨損是硬質(zhì)合金刀具的的重要磨損形式。

3.2 軸向進(jìn)給量對刀具磨損的影響

如圖6顯示了軸向進(jìn)給量對刀具磨損的影響規(guī)律。隨著切削的進(jìn)行，刀具后刀面的磨損量逐漸加大。由圖可知，對于采用軸向進(jìn)給量fa=0.4mm/r進(jìn)行切削的刀具,切削路程L達(dá)到45m時后刀面磨損量為0.08mm左右，而采用fa=0.8mm/r切削的刀具,切削路程未到45m時，后刀面磨損量已達(dá)到0.15mm左右，同樣切削路程刀具磨損量增加近一倍，可見增大軸向進(jìn)給量十分明顯地加劇了刀具的磨損。

圖6 軸向進(jìn)給量對刀具磨損的影響

在軸向車銑鈦合金過程中，軸向進(jìn)給量增加會導(dǎo)致切削層寬度正比例增加，由此前刀面-切屑、后刀面-加工表面的接觸寬度增加，致使刀具前刀面、后刀面與切屑、加工表面的摩擦面積同比例增加，增大的高溫、高壓接觸區(qū)導(dǎo)致了更快的刀具磨損。

3.3 每齒進(jìn)給量對刀具磨損的影響

圖7顯示了每齒進(jìn)給量對刀具磨損的影響規(guī)律。由圖可知，隨著切削的進(jìn)行，刀具后刀面的磨損量逐漸加大。在切削路程L達(dá)到80m時，選用每齒進(jìn)給量fz=0.2和fz=0.1的刀具磨損相差不多，前者略高于后者。此時兩者均處于正常磨損階段，后刀面磨損量均小于0.15mm。隨著切削的繼續(xù)進(jìn)行，兩種情況下后刀面磨損量逐漸產(chǎn)生差距，每齒進(jìn)給量fz=0.2mm/z刀具的磨損量有明顯增加，刀具磨損有加劇趨勢。每齒進(jìn)給量fz=0.1mm/z的刀具磨損量未出現(xiàn)明顯增加，仍處于正常磨損階段。

軸向車銑鈦合金時，每齒進(jìn)給量增加可使切削層厚度正比例增加。由于鈦合金塑性小，切屑接觸刀具前刀面后會迅速向上翻卷，即使切削層厚度正比例增加，切屑與前刀面的接觸面積也不會有很明顯的同比例增加。另外，切削層厚度增加不會對后刀面接觸面積產(chǎn)生影響。因此，每齒進(jìn)給量增加不會導(dǎo)致刀具的摩擦面積明顯增加，在此情況下，刀具的磨損也不會明顯加劇。

圖7 每齒進(jìn)給量對刀具磨損的影響

綜上分析可知，軸向車銑鈦合金時增大軸向進(jìn)給量會加劇刀具磨損，且其影響遠(yuǎn)大于增大每齒進(jìn)給量的影響。因此，從減小刀具磨損、延長刀具使用壽命考慮，通過增大每齒進(jìn)給量提高切削效率較為有利。

4 結(jié)論

本文研究了軸向車銑TC4鈦合金時軸向進(jìn)給量、每齒進(jìn)給量對刀具磨損的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)高速銑削鈦合金時S30t硬質(zhì)合金刀具的磨損形態(tài)主要表現(xiàn)為前刀面的月牙洼磨損、后刀面的磨損溝槽，且月牙洼位置更接近刀尖刃口。

(2)切削速度100m/min時S30t硬質(zhì)合金刀具的主要磨損形式是粘結(jié)磨損。

(3)增大軸向進(jìn)給量和每齒進(jìn)給量均會加劇刀具的磨損，但增大每齒進(jìn)給量對加劇刀具磨損的作用較小。通過增加每齒進(jìn)給量來提高軸向車銑鈦合金的切削效率，有利于抑制刀具磨損的加劇、延長刀具使用壽命。

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(編輯 李秀敏)

The Influence of Feed on Tool Wear in Cutting TC4 Titanium by High Speed Axial Turn-Milling

JIANG Zeng-hui1，SUN Jin-liang1，WANG Shu-li2，ZHANG Ying2，LU Kang-ping1

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159,China;2.North Heavy Industries Special Machinery Works,Inner Mongolia Baotou 014030,China)

In order to study the influence of feed on the tool wear of cutting TC4 titanium alloy by axial turn-milling, and the single factor experiment was done with the cutting speedvc= 100 m/min, cutting depthap= 5 mm. The influence rule of the axial feed and feed per tooth on the tool wear of cutting titanium alloy by axial turn-milling was respectively studied. The results show that the increase of axial feed and feed per tooth will aggravate the tool wear，and it relatively slow aggravates the tool wear to increase the feed per tooth. By increasing the feed per tooth to improve the cutting efficiency of the axial turn-milling titanium alloy, it is conducive to restrain from aggravating the tool wear.

TC4 titanium alloy; axial turn-milling;feed per tooth; tool wear

1001-2265(2016)10-0026-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.007

2015-12-20；

2016-01-22

國家科技重大專項資助(2012ZX04003-061)

姜增輝(1971—)，男，沈陽人，沈陽理工大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為高速、高效切削技術(shù)，(E-mail)jzh1022@163.com。

TH162;TG506

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