TB6鈦合金銑削刀具優(yōu)選測(cè)評(píng)技術(shù)研究與應(yīng)用*

中航工業(yè)昌飛河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 蔣理科 陳文清

北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 陳志同 李 勛

現(xiàn)代先進(jìn)直升機(jī)的升力系統(tǒng)多采用鈦合金球柔性槳轂，TB6鈦合金（國外牌號(hào)為Ti1023）是國內(nèi)近幾年研制并開始工程應(yīng)用的新材料，該類鈦合金屬于鈦合金材料系列中較難加工的材料，目前國內(nèi)還沒有成熟的高效加工工藝。其本身的力學(xué)性能對(duì)切削參數(shù)、刀具材料和結(jié)構(gòu)、加工方式有很高的要求，導(dǎo)致切削困難，如果切削參數(shù)或刀具選用不合理，容易造成刀具磨損（見圖1）及零件表面質(zhì)量較差（見圖2）等情況。

隨著公司各型號(hào)生產(chǎn)任務(wù)日益增加，刀具使用的壽命對(duì)加工過程的經(jīng)濟(jì)性影響巨大，磨損的刀具還會(huì)影響零件加工表面的完整性和零件的加工精度。因此，開發(fā)并使用高性能刀具、優(yōu)化刀具切削用量，確保刀具具有合理的使用壽命是其中最為關(guān)鍵的問題。

圖1 刀具損壞Fig.1 Tool failure

圖2 加工表面粗糙Fig.2 Rough surface

為控制TB6鈦合金難加工材料關(guān)鍵零件加工表面質(zhì)量，并提升加工效率，利用經(jīng)過驗(yàn)證的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)刀具分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。文章通過對(duì)硬質(zhì)合金刀具銑削加工TB6鈦合金進(jìn)行刀具優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，表面完整性等研究工作，結(jié)合公司刀具訂單式管理，建立一套以鈦合金為代表的難加工材料刀具耐用度評(píng)定技術(shù)規(guī)范，用以指導(dǎo)鈦合金加工刀具耐用度的評(píng)定，優(yōu)選出適合加工鈦合金TB6的刀具，突破刀具技術(shù)經(jīng)濟(jì)性綜合評(píng)價(jià)技術(shù)難題，為公司鈦合金加工刀具采購提供技術(shù)支持，并為航空用鈦合金材料的切削參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立和公司各型號(hào)批產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 鈦合金數(shù)控銑削加工刀具優(yōu)選測(cè)評(píng)技術(shù)研究

1.1 刀具優(yōu)選常用實(shí)驗(yàn)方法

刀具優(yōu)選常用的實(shí)驗(yàn)方法包括相對(duì)磨損率快速實(shí)驗(yàn)法和直接比較法。

相對(duì)磨損率快速實(shí)驗(yàn)法，即多因素優(yōu)選法是根據(jù)相對(duì)磨損率實(shí)驗(yàn)法理論。根據(jù)切削原理可知，進(jìn)入正常磨損階段，后刀面磨損量隨切削時(shí)間延長(zhǎng)而近似地成正比例增加[1]。為縮短初選時(shí)間周期，在同一切削速度vc（如vc=30m/min）下，當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p（VB）達(dá)到0.05mm以上時(shí)，分別測(cè)量3個(gè)等切削路程后的VB值，按相對(duì)磨損率實(shí)驗(yàn)法公式計(jì)算刀具耐用度T。再分別以vc=35m/min，vc=40m/min實(shí)驗(yàn)求出相應(yīng)刀具耐用度T，并結(jié)合材料切除率和刀具價(jià)格，計(jì)算出粗加工時(shí)體積利潤(rùn)率。

直接比較法是在相同切削條件下使用不同切削參數(shù)進(jìn)行加工，測(cè)試切削過程中磨損VB值。當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到VB=0.3mm時(shí)，對(duì)切削時(shí)間進(jìn)行比較。

1.2 相對(duì)磨損率快速實(shí)驗(yàn)法原理

在切削過程中，與后刀面磨損的同時(shí)還產(chǎn)生徑向磨損，它將直接影響被加工工件的尺寸精度。所以在自動(dòng)生產(chǎn)線上加工時(shí)，常以徑向磨損量作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。把徑向磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)所用的切削時(shí)間叫做刀具的尺寸耐用度。度量尺寸耐用度的方式，往往用切削行程lm來表示。

試驗(yàn)時(shí)，在選定的切削深度αp、進(jìn)給量f不變的條件下，以4～6種切削速度進(jìn)行切削，每連續(xù)切削l0行程以后，測(cè)量刀具的徑向磨損量，在正常磨損階段上至少取得3點(diǎn)，并連成直線，如圖3所示。

圖3 相對(duì)磨損率曲線Fig.3 Curve of relative wear rate

切削路程長(zhǎng)度等于切削速度υ與切削時(shí)間tm的乘積，即 lm=υ×tm。

在正常磨損階段中，起始點(diǎn)的磨損量為NB1、相應(yīng)的切削行程為lm1；任一點(diǎn)的徑向磨損量NBn，相應(yīng)的切削行程lmn為。則相應(yīng)于單位切削行程的徑向磨損率NBr為:

同理，根據(jù)相應(yīng)于徑向磨鈍標(biāo)準(zhǔn)NBk的切削行程lmk，則相應(yīng)于單位行程的徑向磨損率NBr為:

由上式得:

當(dāng)NBk給定后，則lmk可按上式計(jì)算，而lm=lmk時(shí)的切削時(shí)間tm即為刀具耐用度t，即：

但是，我們知道，徑向磨損與后刀面磨損存在如圖4所示的固定關(guān)系。即：

圖4 徑向磨損與后刀面磨損的幾何關(guān)系Fig.4 Geometry relationship between the radial wear and flank wear

NB = VB×taα0×（1-sinγ0）

因此，提出后刀面相對(duì)磨損率的概念，可通過擬合磨損曲線，快速獲取刀具耐用度。

1.3 相對(duì)磨損率快速實(shí)驗(yàn)法驗(yàn)證

試驗(yàn)材料為TB6鈦合金，屬β相固熔體組成的單相合金[2]。TB6鈦合金室溫下的力學(xué)性能[3]如表2所示。

表1 表2 室溫下TB6鈦合金的力學(xué)性能

試驗(yàn)中采用刀具磨損檢測(cè)儀進(jìn)行刀具后刀面磨損監(jiān)測(cè)。首先通過對(duì)焦，利用圖像獲取設(shè)備獲取刀片后刀面磨損照片，調(diào)整倍率進(jìn)行放大，傳送給計(jì)算機(jī)，利用磨損測(cè)量軟件進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)得的磨損帶寬度值與儀器標(biāo)定所確定的系數(shù)相乘就獲得當(dāng)前點(diǎn)的磨損量，為保證數(shù)據(jù)可靠性，需要進(jìn)行多次測(cè)量取均值[4]。

試驗(yàn)采用的切削參數(shù)：vc=30m/min，fz=0.2mm/z，ap=2mm，切削寬度ae=30mm。部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

由得到的數(shù)據(jù)曲線可知，刀具磨損量在較小切削路程時(shí)會(huì)達(dá)到0.1mm左右，而后隨著切削路程達(dá)到1000mm會(huì)逐漸下降到0.05左右，當(dāng)切削路程繼續(xù)增加時(shí)，磨損量會(huì)再次逐步上升。

表1 刀具磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理Fig5 Experiment data processing

這是由于前面半程由于產(chǎn)生積屑瘤覆蓋在刀片表層，測(cè)量時(shí)候?qū)嶋H測(cè)得的是積屑瘤的寬度，且積屑瘤隨著切削的進(jìn)行逐漸減少，故擬合曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；后半程為正常磨損過程，測(cè)得的磨損量逐漸增大。

假設(shè)刀片在正常磨損到VB=0.3mm時(shí)破損報(bào)廢，即為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，則相應(yīng)于單位切削行程的后刀面磨損率為：

得結(jié)果：

VBr= 9.55

相應(yīng)于后刀面磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的切削行程(單位均統(tǒng)一“m”)為：

則刀具耐用度為：

取經(jīng)驗(yàn)?zāi)p值VB=0.3mm，計(jì)算tk=196.3min。

2 鈦合金數(shù)控銑削加工刀具優(yōu)選測(cè)評(píng)技術(shù)應(yīng)用

按公司刀具訂單式管理要求，針對(duì)目前整體硬質(zhì)合金銑刀采購數(shù)量多，為比較各廠商間刀具的綜合加工性能，開展了TB6鈦合金用進(jìn)口整體硬質(zhì)合金銑刀性能評(píng)估試切，各廠商按基準(zhǔn)值要求自行確定了切削參數(shù)并提交，以下將分別描述各廠商的試切詳情。

2.1 威迪亞

威迪亞刀具確定的切削參數(shù)為vc=25m/min，fz=0.1mm/z，ap=8mm。威迪亞刀具及加工試件見圖6。

通過對(duì)威迪亞的試切過程進(jìn)行分析，該刀具的切削狀態(tài)良好。試切過程順利，切削平穩(wěn)，刀具磨損較慢且非常有規(guī)律，刀具磨損達(dá)到0.3mm是由于一齒小區(qū)域出現(xiàn)微崩刃所致。威迪亞刀具試切結(jié)果如圖7所示。

圖6 威迪亞刀具及加工的試件Fig.6 Widia tool and the machined pieces

圖7 威迪亞刀具切削前后狀態(tài)圖Fig.7 State of Widia tool before and after milling

2.2 肯納

肯納刀具確定的切削參數(shù)，切削參數(shù)為vc=25m/min，fz=0.1mm/齒，ap=5mm。肖納刀具及試件見圖8。

圖8 肯納刀具及加工的試件Fig.8 Kenna tool and the machined pieces

通過對(duì)肯納的試切過程進(jìn)行分析，該刀具的切削狀態(tài)一般。試切過程較為順利，切削平穩(wěn)，但是微崩刃伴隨著整個(gè)切削過程。肯納刀具試件結(jié)果如圖9所示。

圖9 肯納刀具切削前后狀態(tài)圖Fig.9 State of Kenna tool before and after milling

2.3 山高

山高刀具確定的切削參數(shù)如圖10所示，切削參數(shù)為vc=30m/min，fz=0.1mm/z，ap=10mm。高刀具及加工試件見圖10。

通過對(duì)山高刀具的試切過程進(jìn)行分析，該刀具在自行提供的切削參數(shù)下快速崩刃，無法進(jìn)入正常磨損狀態(tài)，且加工的試件表面有飛邊。山高刀具試件結(jié)果如圖11所示。

圖10 山高刀具及加工的試件Fig.10 Seco tool and the machined pieces

圖11 山高刀具切削前后狀態(tài)圖Fig.11 State of Seco before and after milling

2.4 美福

美福刀具確定的切削參數(shù)，切削參數(shù)為vc=35m/min，fz=0.1mm/z，ap=6mm。美福刀具及加工試件見圖12。

通過對(duì)美福刀具的試切過程進(jìn)行分析，該刀具在自行提供的切削參數(shù)下迅速崩刃，無法進(jìn)入正常磨損狀態(tài)，且加工的試件表面有飛邊。美福刀具試件結(jié)果如圖13所示。

2.5 山特維克

山特維克確定的切削參數(shù)，切削參數(shù)為vc=25m/min，fz=0.1mm/z，ap=8mm。山特維克刀具及加工試件見圖14。

通過對(duì)山特維克的試切過程進(jìn)行分析，該刀具的切削狀態(tài)良好。試切過程順利，切削平穩(wěn)，刀具磨損較慢且非常有規(guī)律，刀具磨損達(dá)到0.3是由于一齒小區(qū)域出現(xiàn)微崩刃所致。山持維克刀具試切結(jié)果如圖15所示。

圖12 美福刀具及加工的試件Fig.12 M.A.Ford tool and the machined pieces

圖13 美福刀具切削前后狀態(tài)圖Fig.13 State of M.A.Ford before and after milling

圖14 山特維克刀具及加工的試件Fig.14 Sandvik tool and the machined pieces

圖15 山特維克刀具切削前后狀態(tài)圖Fig.15 State of the Sandvik after and before milling

2.6 刀具測(cè)評(píng)結(jié)果

根據(jù)各刀具廠家自已提供刀具的切削參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，按試切結(jié)果，計(jì)算出了該廠家刀具壽命周期內(nèi)的材料去除量及各廠家刀具材料去除量的公倍數(shù)，然后計(jì)算出各廠家刀具去除完公倍數(shù)體積的材料需要的刀具。

在刀具后刀面磨損值VB=0.3mm態(tài)下，全壽命材料去除量的最小公倍數(shù)為51263520，全壽命材料材料去除量最高的為威迪亞的224.89。由此得出同等體積下所使用的刀具數(shù)量為227960把，所用的刀具最少，在未考慮價(jià)格的情況下，排名第一。其他廠家排名先后分別為山特維克、肯納、山高、美福。如果已知刀具價(jià)格，只需將同等體積下所使用的刀具數(shù)乘以刀具價(jià)格，乘積得數(shù)最小則為綜合性價(jià)最高。

3 結(jié)論

在刀具訂單式管理中，利用刀具優(yōu)選測(cè)評(píng)技術(shù)，對(duì)公司所用的鈦合金加工刀具進(jìn)行了試切、評(píng)估與優(yōu)選工作。在試切實(shí)驗(yàn)中對(duì)刀具在滿足加工要求情況下所達(dá)到的材料去除率、刀具狀態(tài)、切削狀態(tài)、表面粗糙度、刀具壽命進(jìn)行綜合性能評(píng)估，確定最優(yōu)性價(jià)比刀具。根據(jù)評(píng)定結(jié)果，優(yōu)先采購高性價(jià)比的刀具。

對(duì)示范應(yīng)用的高性能刀具相對(duì)傳統(tǒng)加工刀具提高了綜合加工性能（主要包括成本、效率、質(zhì)量等因素）30%以上；通過刀具耐用度評(píng)定技術(shù)研究，使高效、高性能刀具壽命延長(zhǎng)了30%以上。建立一套難加工材料刀具耐用度評(píng)定基本規(guī)范，為先進(jìn)刀具研制及應(yīng)用提供了有利的技術(shù)支持，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下提高了加工效率，降低公司生產(chǎn)制造成本，促進(jìn)公司數(shù)控加工綜合性能的提升。項(xiàng)目成果已成功應(yīng)用AC313型機(jī)的零件批生產(chǎn)中，在行業(yè)內(nèi)也具有廣泛的應(yīng)用推廣前景。

[1] 陳日耀. 金屬切削原理.第二版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] Dmytro G. Savvakin. Effect of iron content on sintering behavior of Ti-V-Fe-Al nar- Titanium Alloy. Metallurgical and Materials Transactions，2012，43(2)：716-723.

[3] 干勇，田志凌，黃翰，等.中國材料工程大典.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4] 張保國，陳志國，熊曦耀，等.涂層刀具銑削加工300M鋼的刀具磨損試驗(yàn)研究.航空精密制造技術(shù)，2008，44(22)：41-44.