利用變切深法提高銑刀耐用度的實(shí)驗(yàn)研究

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）

0 前言

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。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

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

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

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。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

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)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 刀具磨損與破損形態(tài)

2.2 刀具磨損曲線

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。

2.3 后刀面磨損分析

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。

3 結(jié)論

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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