鈦合金微銑削加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

□ 多佳彬

蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

鈦合金作為醫(yī)學(xué)植入體材料，其在微銑削加工下，能得到很好的三維幾何形狀，可以增加與生物的相容性。鈦合金由于導(dǎo)熱系數(shù)低，加工過程中產(chǎn)生的切削熱不易發(fā)散，使工件及刀具的溫度過高，并且鈦合金與許多刀具材料容易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使切屑與刀具產(chǎn)生黏結(jié)現(xiàn)象，加劇了刀具的磨損，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量下降。因此，對鈦合金微銑削的研究與分析是很有必要的。

1 微銑削國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

微銑削技術(shù)適用于加工復(fù)雜的三維幾何形狀，適用范圍非常廣泛。微銑削的切削機(jī)理不同于傳統(tǒng)銑削，在常規(guī)銑削中可以忽略的因素對微銑削過程卻有重要的影響。Lai等［1］用FEM集中研究了鈦材料的最小切削厚度和在微細(xì)切削過程中的刀具刃口鈍圓半徑；Ratchev 等［2］和 Brinksmeier 等［3］研 究了 在加 工過 程 中由工件和微型刀具變形產(chǎn)生的力，而該力產(chǎn)生的振動將影響整個加工過程的穩(wěn)定性。因此準(zhǔn)確預(yù)測不同切削參數(shù)下的微銑削力，可以為實(shí)際加工提供理論基礎(chǔ)。

1.1 微銑削力建模的論述

對于預(yù)測分析微細(xì)銑削力和其結(jié)構(gòu)模型，很多學(xué)者做過研究。Vogler等［4］在平底銑刀的力學(xué)模型中考慮了工件微觀結(jié)構(gòu)；Vogler等［5］建立了線性滑移場模型，模擬了耕犁力，考慮了最小切削厚度；Jun等［6］改進(jìn)了微銑削力模型，考慮了動態(tài)切削載荷下的刀具振動，但這種模型忽略了平底銑刀的螺旋角；Waldorf等［7］用不同的鈍圓半徑刀具加工6061-T6鋁，并做了一系列的實(shí)驗(yàn)，提出了用滑移區(qū)模擬切削力的耕犁部分；Kim等［8］提出了在微銑削過程中切屑形成的靜態(tài)模型，描述了在低進(jìn)給速度下切屑的間斷性形成；Kang等［9］考慮工件-刀具側(cè)面接觸的切削力，提出了一個微端銑的分析模型；Bissacco等［10］考慮了切削鈍圓半徑、切屑流出角的徑向跳動和偏差，提出了一個在微銑削過程中預(yù)測切削力的理論模型；Malekian等［11］研究了一種微銑削力的機(jī)械模型，考慮了耕犁力、主軸跳動以及彈性回復(fù)的影響，在刀具和工件交界面上提出了一個耕犁力模型。

在微銑削過程中，每齒進(jìn)給量與刀具刃口圓弧半徑幾乎是相同的，刀刃在切入和切出工件時未變形切屑厚度小于最小切削厚度時，會產(chǎn)生顯著的耕犁力，而當(dāng)未變形切屑厚度大于最小切削厚度時，耕犁力與切削過程中的剪切力會同時作用。同時，由于進(jìn)給量很小，主軸的跳動和刀具的偏心量不能忽略。因此，建立微銑削力學(xué)模型需要綜合考慮刀具刃口鈍圓半徑、刀具等效前角的變化以及刀具偏心量等影響因素。

1.2 微銑削表面質(zhì)量的研究

尺寸精度和加工表面質(zhì)量是評價零件的兩個重要指標(biāo)。傳統(tǒng)銑削過程中出現(xiàn)的加工表面缺陷和毛刺一般可以通過后處理去除，而在微銑削加工中由于零件尺寸的限制，后處理過程很難進(jìn)行，所以，保證微銑削加工中一次優(yōu)良率尤為重要。

Gillespie［14］認(rèn)為在零件微銑削加工過程中，會產(chǎn)生加工毛刺，不同的加工方法、工件的幾何形狀、成形機(jī)制和材料性質(zhì)，產(chǎn)生的毛刺也不相同，圖1給出了3種類型的常規(guī)尺寸毛刺：泊松毛刺、翻轉(zhuǎn)毛刺和撕裂毛刺。Chern［15］認(rèn)為銑削過程中產(chǎn)生毛刺的類型很大程度上取決于加工面切屑出口的角度，在圖2給出了銑削表面時的5種毛刺類型：（a）刀狀毛刺，（b）卷曲狀毛刺，（c）波浪狀毛刺，（d）邊緣突出毛刺，（e）次要毛刺；Hashimura等［16］根據(jù)毛刺的位置、毛刺的形狀和毛刺的形成機(jī)制，將端銑過程中的毛刺進(jìn)行了分類，圖3給出了端銑過程中毛刺的類型；Schueler等［17］研究了在不同進(jìn)給量時用平底銑刀微銑削鈦合金時形成的毛刺；Vogler等［18］通過研究不同刀具進(jìn)行切削加工時，發(fā)現(xiàn)了加工表面毛刺對已加工表面質(zhì)量的影響；Min等［19］研究了不同加工參數(shù)條件下順銑和逆銑對加工表面質(zhì)量的影響，得出順銑在小的切削速度條件下分別對加工表面粗糙度的影響。

國內(nèi)也有很多學(xué)者對微銑削加工零件的表面質(zhì)量進(jìn)行過研究。孫雅洲［20］系統(tǒng)地分析了微型銑刀的幾何參數(shù)和所選用的每齒進(jìn)給量以及最小切削厚度等因素對微銑削表面粗糙度的影響，通過實(shí)驗(yàn)研究了微銑削過程中毛刺的形成以及影響毛刺產(chǎn)生的因素和規(guī)律；劉建峰［13］建立了適合微銑削的表面粗糙度理論模型，并針對微銑削表面粗糙度的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停謩e用遺傳算法和模擬退火遺傳算法對微銑削表面粗糙度值進(jìn)行了優(yōu)化，得到最優(yōu)的銑削用量組合。

2 鈦合金材料高速切削的研究和發(fā)展

▲圖1 泊松毛刺、翻轉(zhuǎn)毛刺和撕裂毛刺示意圖[14]

▲圖2 銑削表面時的5種毛刺類型

▲圖3 端銑過程中毛刺類型

在國外的研究中，Kitagawa［21］研究了在高速切削加工中刀具的溫升和磨損；Ezugwu［22］認(rèn)為在切削鈦合金的過程中，將近80%的熱量是傳遞給刀具的，然而在切削鋼鐵過程中，這個比例系數(shù)只有50%，另一方面，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，普通鋼鐵的導(dǎo)熱系數(shù)一般是鈦合金的6倍左右。由于上述兩個原因，導(dǎo)致了在切削鈦合金過程中的溫度集中，從而降低了刀具基底的黏合強(qiáng)度，加速了刀具的磨損。Narutaki［23］認(rèn)為鈦合金在加工溫度超過500°C時，能與許多刀具材料發(fā)生反應(yīng)，有與切削刀具形成焊接趨勢，這導(dǎo)致了在機(jī)械加工過程中刀具的塑性變形和嚴(yán)重的磨損，從而降低了加工精度；Shuting Lei［24］研究了使用驅(qū)動旋轉(zhuǎn)刀具對鈦合金進(jìn)行高速切削；Wang Z G［25］用CBN刀具研究了對鈦合金的高速銑削；Ribeiro［26］研究了在切削鈦合金過程中的切削參數(shù)最優(yōu)化；Schueler等［17］研究了在平底微銑削鈦合金過程中毛刺的形成和表面特性；T.?zel等［27］通過實(shí)驗(yàn)和有限元仿真的方法，研究了未涂層和CBN涂層兩種微徑銑刀對微銑削鈦合金的影響。

國內(nèi)很多學(xué)者也對鈦合金高速切削做了大量的研究。楊勇［28］用有限元仿真和實(shí)驗(yàn)研究的兩種手段，對銑削鈦合金過程中的切削力和切削熱進(jìn)行研究；滿忠雷［29］等對TC4合金在干切削、空氣油霧和氮?dú)庥挽F等冷卻介質(zhì)下的切削力進(jìn)行了研究,在200～300 m/min的切削速度范圍內(nèi)，切削力隨切削速度的增加而單調(diào)上升；易俊杰［30］分別用有限元仿真和試驗(yàn)研究的方法，對TC4和TC11兩種鈦合金在高速銑削過程中的切削力和切削熱進(jìn)行了研究；Zhang等［31］對影響鈦合金銑削過程中的切削力和切削熱的銑削參數(shù)進(jìn)行分析，得到銑削參數(shù)的可行域；2010年，楊勇等［32］應(yīng)用雙刃斜角切削理論模型，對鈦合金TC4進(jìn)行了三維有限元建模，對銑削過程中的切削力進(jìn)行了有限元模擬。

我國對于鈦合金微銑削的研究還處于起步階段，由于近年來鈦合金在航空航天及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，鈦合金的微銑削技術(shù)越來越受到重視，相信隨著微銑削技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對鈦合金微銑削的研究會更受到重視。

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