基于國產(chǎn)裝備的鈦合金TC4高效銑削試驗(yàn)研究*

李亮亮　李鵬飛　杜寶瑞　初宏震

(①沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司技術(shù)中心，遼寧 沈陽 110850；②東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110004)

?

基于國產(chǎn)裝備的鈦合金TC4高效銑削試驗(yàn)研究*

李亮亮①李鵬飛②杜寶瑞①初宏震①

(①沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司技術(shù)中心，遼寧 沈陽 110850；②東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110004)

鈦合金TC4在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而其加工效率極低。以民機(jī)零件為試驗(yàn)對(duì)象，開展了鈦合金高效銑削試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：乳化液更利于切削熱量的排放，減少刀具磨損，延長刀具壽命；利用3軸和5軸配合加工方式，可以提高航空工件曲面的加工效率，曲面重構(gòu)可以提高工件的加工表面質(zhì)量；合理的切削參數(shù)，能夠充分發(fā)揮國產(chǎn)裝備的切削性能，材料去除率達(dá)到了75cm3/min。

TC4；銑削；刀具壽命；曲面加工；材料去除率

鈦合金TC4以其密度小、強(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕性好等特點(diǎn)，在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于其導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性大、彈性模量小，使得鈦合金切削加工性較差，主要表現(xiàn)在切削溫度高、變形系數(shù)小、單位面積切削力大，在切削刃附近，冷硬、粘刀現(xiàn)象和刀具磨損都很嚴(yán)重[1-2]，導(dǎo)致鈦合金加工效率極低。為了提高鈦合金工件的加工效率，國內(nèi)外學(xué)者在切削力、切削溫度、刀具磨損、材料去除率等方面，開展了大量仿真及試驗(yàn)研究。

MartinBaker采用二維正交切削模型研究切削速度對(duì)切削力和切屑形成過程的影響，通過仿真分析再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的隨著切削速度的增加切削力減小的現(xiàn)象[3]。劉勝基于ABAQUS研究了鈦合金切削過程的切削力一般規(guī)律[4]。Z.G.Wang等采用不同冷卻方式(乳化液、干切、微量潤滑)進(jìn)行鈦合金連續(xù)和斷續(xù)切削，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[5]。MasafumiKikuchi通過切削溫度研究鈦合金Ti6A14V的切削加工性[6]。范依航建立了刀具磨損圖，研究了刀具磨損對(duì)切削用量的影響及其與材料去除率的關(guān)系[7]。王曉琴對(duì)鈦合金TC4在高效切削時(shí)的刀具磨損及壽命進(jìn)行了深入了研究，發(fā)現(xiàn)刀具與工件、切屑接觸以粘結(jié)為主，摩擦溫度隨切削速度增加而增加，硬質(zhì)合金的磨損是粘著、擴(kuò)散、氧化、剝落以及破損的綜合結(jié)果，并且通過仿真及試驗(yàn)證明了刀具刃口的磨損會(huì)造成主切削力的迅速增大[8]。李興泉采用法國FOREST-LINE公司生產(chǎn)的三坐標(biāo)龍門銑V2-3500B作為試驗(yàn)機(jī)床粗加工鈦合金，應(yīng)用陜硬無涂層刀具時(shí)，最大材料去除率達(dá)到10.08cm3/min，應(yīng)用日本黛杰工業(yè)株式會(huì)社的整體涂層硬質(zhì)合金刀具時(shí)，最大材料去除率達(dá)到60.80cm3/min，應(yīng)用瑞典山高公司的鑲齒涂層刀具時(shí)，最大材料去除率在14.90cm3/min[9]。國內(nèi)的航空企業(yè)鈦合金粗加工材料去除率通常在25～35cm3/min。本文面向?qū)嶋H生產(chǎn)，以沈陽中捷機(jī)床VMC25100u為試驗(yàn)機(jī)床，以中航工業(yè)陜西硬質(zhì)合金工具公司的整體鑲齒硬質(zhì)合金刀具為加工試驗(yàn)刀具，以民機(jī)C919吊口框?yàn)樵囼?yàn)工件，開展了基于國產(chǎn)裝備的鈦合金TC4高效切削試驗(yàn)研究。

表1Ti6Al4V的化學(xué)成份

TiAlVFeCNHO其他元素單個(gè)總和余量5.5～6.83.4～4.50.300.100.050.0150.200.100.40

表2Ti6Al4V的力熱性能

彈性模量E/GPa屈服強(qiáng)度σb/MPa剪切強(qiáng)度τ/MPa密度ρ/(kg/m3)泊松比ν熱導(dǎo)率λ/(W/m·℃)比熱容C/(J/kg·℃)10996365644400.346.8611

1　試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1工件材料屬性

本試驗(yàn)選用民機(jī)C919吊口框?yàn)榧庸?duì)象，材料為TC4，屬于(α+β)鈦合金，鍛造處理，普通退火，材料規(guī)范服從CMS-Ti-203，材料外廓尺寸為800mm×300mm×250mm，其零件模型及毛坯模型如圖1所示。從毛坯與零件的對(duì)比圖可以看出，材料去除量極大。材料的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

1.2刀具信息

粗加工刀具選用中航工業(yè)陜西硬質(zhì)合金工具公司的整體鑲齒硬質(zhì)合金立銑刀，無涂層，代號(hào)1251-2641-4，直徑40mm，4齒，刀具總長255mm，切削總長110mm，切削刃長90mm，底角半徑4mm。

1.3機(jī)床性能

機(jī)床工作臺(tái)尺寸2 000mm×800mm，承重5 000kg，主軸最大轉(zhuǎn)速4 000r/min，最大扭矩882N·m，最大功率30kW，A軸、B軸的最大擺角均為±30°，可適用于本試驗(yàn)的5軸工件加工。

2　試驗(yàn)方案

由圖1可知，工件的結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱。在本試驗(yàn)中，選擇工件的右半部分進(jìn)行切削試驗(yàn)研究。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征及航空結(jié)構(gòu)件的實(shí)際加工狀態(tài)，擬從以下3方面開展試驗(yàn)：

(1)不同冷卻方式的試驗(yàn)。在風(fēng)冷、風(fēng)冷+冷卻水、乳化液3種冷卻方式下，進(jìn)行大切削量試驗(yàn)，分析刀具的磨損狀態(tài)及工件表面質(zhì)量情況。

(2)扭曲曲面優(yōu)化處理及加工。鈦合金多用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的梁、框、接頭等，而這些零件大多是5軸類零件，且常有復(fù)雜曲面。因此，本文以吊口框的典型曲面為例，采用三軸和五軸加工相結(jié)合的工藝方法，通過對(duì)扭曲曲面的重構(gòu)，開展曲面的高效切削試驗(yàn)。

(3)高效切削試驗(yàn)?；诠ぜY(jié)構(gòu)特征，結(jié)合國產(chǎn)裝備性能，突破傳統(tǒng)模式切削參數(shù)，開展大切深大切寬試驗(yàn)，分析材料去除率及工件表面質(zhì)量。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1不同冷卻狀況下的刀具磨損與分析

圖2是在風(fēng)冷干銑情況下的刀具磨損圖。壓縮空氣為6Pa，刀具切削時(shí)間僅為0.5h，切削過程中，切削底刃出現(xiàn)紅熱狀態(tài)，從圖中可以看出，刀具出現(xiàn)了崩刃、脫落、破損情況，且刀體下半部分呈暗紅色，說明在切削過程中，刀具持續(xù)處于高溫狀態(tài)。圖3是風(fēng)冷+冷卻水切削情況下的刀具磨損圖。此種情況下，冷卻并不充分，刀具持續(xù)切削時(shí)間為1.3h，可以看到刀具底刃磨損嚴(yán)重，側(cè)刃出現(xiàn)了氧化、腐蝕現(xiàn)象，這是由于大量切屑堆積于切削刃附近、熱量不易排出所致，同時(shí)在側(cè)刃出現(xiàn)了微小的崩刃。圖4是由于冷卻不充分而使得在切削過程中產(chǎn)生大量的熱量將冷卻水霧化的現(xiàn)象圖。圖5是應(yīng)用乳化液充分冷卻的情況下的加工現(xiàn)狀圖。刀具持續(xù)切削時(shí)間累積約31h，完成工件試驗(yàn)部分的整個(gè)粗加工過程。發(fā)現(xiàn)刀具磨損均勻，在此冷卻情況下尚能用于鈦合金的粗加工。

3.2扭曲曲面重構(gòu)與加工

圖6中B處是被加工的扭曲曲面，它分別與A處5軸面和C處3軸面相切連接，傳統(tǒng)的加工方法是根據(jù)A、B、C面做面偏置加工，需要機(jī)床主軸頭頻繁、連續(xù)擺動(dòng)加工，且毛料去除量極大，加工效率極低。本試驗(yàn)方案是選擇A、B、C面上邊界做三軸投影，通過定軸方式完成曲面的大余量切削，余量1mm，原因是三軸方式可以充分發(fā)揮機(jī)床固有剛性，提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度；然后通過面偏置形式完成曲面的半精加工，為了保證扭曲曲面的加工精度，各曲面余量均為0.5mm，易于實(shí)現(xiàn)曲面精加工時(shí)切削力的穩(wěn)定。在曲面精加工仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，曲面出現(xiàn)了刀軸擺動(dòng)所留下的變軌紋路，如下圖7所示。在對(duì)模型剖解分析后認(rèn)為，飛機(jī)零件設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)零件模型時(shí)僅考慮結(jié)構(gòu)形狀，忽略了零件加工所需的曲面光滑銜接、整體面片，因此，為了能加工出光滑曲面，對(duì)扭曲面B進(jìn)行了重構(gòu)，在此曲面上下各取5點(diǎn)，通過三次樣條曲線擬合曲面，不僅保證各節(jié)點(diǎn)間相切，同時(shí)保證此曲面與相鄰兩面相切，通過combinparelm5軸加工方式，加工出的曲面如圖7所示。

3.3粗加工高效切削結(jié)果與分析

在應(yīng)用國產(chǎn)刀具情況下，結(jié)合鈦合金工件結(jié)構(gòu)與切削經(jīng)驗(yàn)，為了最大限度發(fā)掘國產(chǎn)機(jī)床的切削性能，制定了切削參數(shù)試驗(yàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，在試驗(yàn)1組和2組切削參數(shù)下，機(jī)床主軸頭抖動(dòng)劇烈，切削過程極其不穩(wěn)定，出現(xiàn)“碰切”現(xiàn)象，此時(shí)材料去除率達(dá)到90cm3/min，說明機(jī)床尚不完全具備在此情況下的大去除量切削。在試驗(yàn)3組情況下，機(jī)床主軸頭抖動(dòng)仍然明顯，說明抖動(dòng)與切削深度關(guān)系不大，在試驗(yàn)4組和5組中，隨著主軸轉(zhuǎn)速的降低，機(jī)床抖動(dòng)幅度也隨之減小，切削過程趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)6組和7組均能穩(wěn)定切削，因此，選用第6組應(yīng)用于工件的切削，其粗加工材料去除率達(dá)到了75cm3/min，相比國內(nèi)航空企業(yè)鈦合金粗加工材料去除率，提高2.1～3倍。圖8和圖9分別是第6組試驗(yàn)加工情況圖和工件加工后的效果圖。

4　結(jié)語

基于國產(chǎn)裝備，以民機(jī)C919吊口框?yàn)樵囼?yàn)零件，開展了航空鈦合金TC4的高效切削試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

表3切削參數(shù)試驗(yàn)表

組號(hào)主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)進(jìn)給速度/(mm/min)切削深度/mm切削寬度/mm1360240755230024075533002401054280220755526020075562202007557200180755

(1)冷卻對(duì)鈦合金加工非常重要。風(fēng)冷不利于鈦合金切削，嚴(yán)重影響刀具磨損及壽命；冷卻水容易導(dǎo)致刀具氧化、腐蝕，影響刀具壽命；采用充分的乳化液冷卻，可以延長刀具壽命，易于實(shí)現(xiàn)高效切削。

(2)扭曲曲面的3軸+5軸方案切削，可以提高曲面的加工效率，通過對(duì)航空工件的曲面重構(gòu)，可以提高工件的加工精度。

(3)選擇合理的切削參數(shù)，可以充分發(fā)揮國產(chǎn)機(jī)床及刀具的切削性能，材料去除率能夠達(dá)到75cm3/min。

[1]HuangPanling,LiJianfeng,SunJie,etal.Studyonperformanceindrymillingaeronauticaltitaniumalloythin-wallcomponentswithtwotypesoftools[J].JournalofCleanerProduction, 2014,67:258-264.

[2]YangDong,LiuZhanqiang.StudytopographyanalysisandcuttingparametersoptimizationforperipheralmillingtitaniumalloyTi-6Al-4V[J].JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials, 2015,51:192-200.

[3]MartinBaker.Finiteelementsimulationofhigh-speedcuttingforces[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2006,176(1-3):117-126．

[4]劉勝.鈦合金正交切削的溫度場(chǎng)和切削力仿真與試驗(yàn)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[5]WangZG，RahmanM,WongYS，eta1．Studyonorthogonalturningoftitaniumalloyswithdifferentcoolantsupplystrategies[J]．InternationalJournalofAdvancedManufacturingandTechnology，2009，42(7-8)：621-632.

[6]MasafumiKikuchi.Theuseofcuttingtemperaturetoevaluatethemachinabilityoftitaniumalloys[J].ActaBiomaterialia, 2009,5(2):770-775.

[7]范依航. 高效切削鈦合金刀具磨損特性及切削性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2011.

[8]王曉琴. 鈦合金Ti6Al4V高效切削刀具摩擦磨損特性及刀具壽命研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2009.

[9]李興泉.航空鈦合金結(jié)構(gòu)件高效銑削工藝研究[D].沈陽：東北大學(xué),2010.

(編輯汪藝)

如果您想發(fā)表對(duì)本文的看法，請(qǐng)將文章編號(hào)填入讀者意見調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Experimental investigation on high efficiency milling oftitaniumalloyTC4withdomesticequipment

LI Liangliang①, LI Pengfei②, DU Baorui①, CHU Hongzhen①

(①TechnologyCenter,ShenyangAircraftCorporation,Shenyang110850,CHN;②SchoolofMechanicalEngineering&Automation,NortheasternUniversity,Shenyang110004,CHN)

TitaniumalloyTC4iswidelyusedintheaviationduetoitsexcellentcombinationofproperties,however,themachiningefficiencyislow.Inthepaper,forthepartofcivilianaircraft,experimentalinvestigationonhighefficiencymillingofTC4iscarriedoutwithhomemadeequipment,andtheresultshowsthatemulsionliquidisbetterfortheemissionofcuttingheat,andthetoolwearissmaller,thetoollifeisprolonged;themillingefficiencyisimprovedbycombiningthe3-axisand5-axismachiningschemeforthecurveofaviationparts;surfacequalityisbetterusingthereconstructionofcurvesurface;theperformanceofhomemadeequipmentcanbeexertedsufficientlyusingrationalcuttingparameters,andmaterialremovalrateachievesto75cm3/min.

TC4;milling;toollife;machiningcurvesurface;materialremovalrate

V262.3+3

A

李亮亮，男，1986年生，碩士研究生，工程師，主要從事航空鈦、鋁合金高效切削加工及動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)研究。

2015-09-08)

160330

*“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(xiàng)(2014ZX04001051)