鈦合金切削力和表面粗糙度試驗研究

丁 悅，王 焱，劉 暢，向 穎

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

鈦合金由于具有比強度高、耐腐蝕性好、耐高溫等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于航空航天發(fā)動機結(jié)構(gòu)中[1]。其中，TC4-DT 鈦合金是我國結(jié)合純凈化熔煉技術(shù)和新型的β熱處理工藝技術(shù)而研發(fā)的新型中強度高損傷容限型鈦合金，該合金具有很高的韌性、低的疲勞裂紋擴展速率、優(yōu)異的焊接性能、優(yōu)良的工藝性能和較低的成本等綜合性能，特別適合制造飛機大型整體框梁類重要承力構(gòu)件[2]。但是，從切削加工性能的角度來看，TC4-DT 鈦合金是典型的難加工材料，其導(dǎo)熱性能差、化學(xué)活性高、彈性模量小、加工硬化嚴重，使得切削速度低、刀具壽命短、加工效率低下[3-4]。本研究以TC4-DT鈦合金為研究對象，采用科學(xué)試驗和理論分析相結(jié)合的方法，研究銑削刀具材料和銑削參數(shù)與切削力之間的關(guān)系，并分析特定刀具材料下的銑削表面粗糙度，為合理選擇TC4-DT鈦合金銑削參數(shù)提供依據(jù)。

1 試驗方案

工件材料為TC4-DT鈦合金，化學(xué)元素含量如表1所示。試驗機床為橋式龍門銑床，最高轉(zhuǎn)速4000r/min，最大扭矩為950N·m。采用水基冷卻液順銑方式進行銑削試驗，首先測量不同刀具和銑削參數(shù)下的切削力，然后根據(jù)試驗結(jié)果測量銑削表面粗糙度。

采用單因素試驗方法進行鈦合金切削力試驗，銑削參數(shù)為：每齒進給量fz=0.08mm/z、銑削深度ap=2mm、銑削寬度ae=4mm、銑削速度vc=20～80m/min。切削力采用Kistler 9257B型測力儀測量，由于銑削力隨銑削時間波動，取銑削周期內(nèi)的平均銑削力進行分析。試驗刀具為陜西硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的硬質(zhì)合金螺旋刃立銑刀，刀具型號如表2所示。鈦合金表面粗糙度試驗采用四因素四水平正交試驗[5]，各因素及其水平如表3所示。試驗刀具根據(jù)切削力試驗結(jié)果選擇。選用表面粗糙度采用時代公司的TR220粗糙度儀測量表面粗糙度，在不同的3個位置重復(fù)5次測量。

2 結(jié)果分析

2.1 切削力分析

表1 材料元素含量（質(zhì)量分數(shù)）%

表2 試驗刀具型號

表3 表面粗糙度試驗因素及水平

圖1所示為鈦合金切削力隨銑削速度的變化趨勢。從圖中可以看到，在選定的銑削參數(shù)范圍內(nèi)切削力隨銑削速度的提高而減小，而且減小的趨勢逐漸變緩。切削力減小的現(xiàn)象可用熱軟化效應(yīng)來解釋。當切削速度提高時，材料在剪切區(qū)的應(yīng)變率相應(yīng)的提高，更多的變形能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致剪切區(qū)溫度升高，材料在較高的溫度下強度降低，因此切削力變小。同時由于切削速度提高，產(chǎn)生的熱量來不及傳散，使得剪切區(qū)溫度升高，這會加劇熱軟化效應(yīng)，導(dǎo)致切削力變小。切削速度的提高還會導(dǎo)致切屑-刀具接觸長度變短和切屑厚度增加，使得切削力變小。此外由于溫度的升高，使切屑-刀具-工件接觸面的摩擦系數(shù)降低，最終出現(xiàn)切削力隨切削速度的提高而變小的現(xiàn)象。當切削速度達到某一值時，熱軟化效應(yīng)接近極限，單純的提高切削速度對降低切削力的意義不大。

對比幾種刀具的切削力發(fā)現(xiàn)，在相同的條件下，TiAlN涂層刀具的切削力要大于無涂層刀具的切削力。這是因為鈦合金的化學(xué)性能比較活潑，在溫度達到一定程度時容易與相似材料發(fā)生親和現(xiàn)象，造成刀具磨損嚴重（圖2（a）），使得TiAlN涂層刀具的切削力較大，因此在切削鈦合金時要盡量避免選擇含鈦涂層的刀具。從圖1中還可以看到，刀尖圓弧半徑小的刀具切削力較低。需要注意的是，刀尖圓弧半徑越小，切削刃所承受的載荷越大，刀具越容易發(fā)生崩刃。在本研究中，刀具1和刀具3的刀尖圓弧半徑為零，在銑削過程中均發(fā)生了嚴重的崩刃現(xiàn)象，如圖2（b）（c）所示。最后發(fā)現(xiàn)，增加刀齒數(shù)會明顯降低切削力，但也相應(yīng)地增加了刀具受沖擊次數(shù)，造成切削刃磨損加劇，同時發(fā)生微崩刃現(xiàn)象，如圖2（d）。綜上所述，以切削力和刀具磨、破損的角度分析，刀具2的銑削性能最佳，即無涂層、大刀尖圓弧半徑和刀齒數(shù)少的刀具比較適合切削TC4-DT鈦合金，通過觀察銑削后刀具2 （圖2（d））也證明了分析結(jié)論。

圖1 切削速度對鈦合金切削力的影響Fig.1 Influence of cutting speed on cutting force

圖2 銑削鈦合金后刀具照片F(xiàn)ig.2 Worn carbide tools in milling titanium alloy

2.2 表面粗糙度分析

選用刀具2進行鈦合金銑削表面粗糙度（Ra）試驗，試驗結(jié)果如表4所示。對表4進行極差分析可以發(fā)現(xiàn)，影響表面粗糙度因素的主次關(guān)系分別是ac、fz、ap和vc。

采用曲面響應(yīng)法建立粗糙度數(shù)學(xué)模型，對表4試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到銑削參數(shù)對表面粗糙度的經(jīng)驗公式，如式（1）所示。

將表3中銑削參數(shù)代入到式（1）中，得到表面粗糙度計算值Ra=0.993μm，與實測值相比誤差基本在10%以內(nèi)，說明建立的表面粗糙度響應(yīng)模型具有較高的精度。

為直觀分析鈦合金銑削表面粗糙度隨著銑削參數(shù)變化的趨勢，根據(jù)式（1）得到了銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響趨勢，如圖3所示，可以看到，銑削速度的增加會成比例的降低表面粗糙度；而每齒進給量的增加會成比例的提高表面粗糙度。對于銑削深度的影響，表面粗糙度先隨銑削深度的增加而減小，當銑削深度達到1.5～2mm之間時，表面粗糙度達到最低值，隨后表面粗糙度劇烈地增加。銑削寬度的影響規(guī)律與銑削深度相反，在4～6mm之間表面粗糙度最大。

為研究銑削深度和銑削寬度對表面粗糙度的綜合影響規(guī)律，根據(jù)經(jīng)驗公式得到表面粗糙度特征曲面（圖4）。從圖4中可以看到，特征曲面呈馬鞍面分布，在較低的銑削深度和最小的銑削寬度處能夠獲得最小的表面粗糙度。此外，銑削寬度的影響效果明顯強于銑削深度，這也印證了極差分析的結(jié)果，因此在工程應(yīng)用中，為降低表面粗糙度應(yīng)優(yōu)先降低銑削寬度。根據(jù)經(jīng)驗公式，以表面粗糙度Ra≤1.6μm(對應(yīng)7級光潔度)為目標對銑削參數(shù)進行優(yōu)化，銑削寬度的合理使用范圍應(yīng)小于2mm。

表4 表面粗糙度試驗結(jié)果

圖3 銑削參數(shù)對表面粗糙度的影響Fig.3 Influence of milling parameters on surface roughness

圖4 銑削深度和銑削寬度對表面粗糙度的特征曲面(銑削條件：vc=40m/min, fz=0.08mm/z)Fig.4 Contour plot of simulated roughness as a function of depth and width of cutting(milling condition: vc=40m/min, fz=0.08mm/z)

3 結(jié)論

通過對TC4-DT鈦合金進行銑削試驗，分析其切削力和表面粗糙度，得到以下結(jié)論：（1）在本次試驗的切削刀具中，無涂層、大刀尖圓弧半徑和刀齒數(shù)少的刀具比較適合切削TC4-DT鈦合金；（2）在選定的銑削刀具和銑削參數(shù)條件下，影響表面粗糙度因素的主次關(guān)系分別是銑削寬度、每齒進給量、銑削深度和銑削速度；（3）銑削速度的增加和每齒進給量的減小會成比例的降低表面粗糙度，提高銑削深度會使表面粗糙度先減小后增加，而銑削寬度的影響呈與銑削深度相反的趨勢；（4）銑削深度和銑削寬度對表面粗糙度的綜合影響呈馬鞍面趨勢，為降低表面粗糙度應(yīng)優(yōu)先降低銑削寬度。

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