硬質(zhì)合金刀具幾何角度對(duì)高速銑削鈦合金TC4切屑形態(tài)的影響

馮明軍

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

硬質(zhì)合金刀具幾何角度對(duì)高速銑削鈦合金TC4切屑形態(tài)的影響

馮明軍

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

為探討高速銑削中刀具的幾何角度對(duì)切屑形態(tài)的影響，采用不同的幾何角度，進(jìn)行鈦合金TC4的高速銑削，以獲得更好的加工表面質(zhì)量。采用AdvantEdge 有限元分析軟件，建立高速銑削鈦合金TC4的有限元模型，在給定的切削條件下，針對(duì)不同的刀具前角和螺旋角，對(duì)鈦合金TC4切削過程中的切屑形態(tài)進(jìn)行仿真，分析刀具角度與切屑溫度及形態(tài)的關(guān)系。并以相同的刀具幾何角度和銑削參數(shù)進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：高速銑削條件下，切屑的溫度高于工件和刀具的溫度，切削熱通過切屑散發(fā)，有利于切削；適當(dāng)增加前角，切屑形態(tài)規(guī)則且均勻，表面質(zhì)量較好。螺旋角在一定范圍內(nèi)增大，使切屑形態(tài)不規(guī)則，對(duì)加工產(chǎn)生不利影響。模擬與銑削實(shí)驗(yàn)的切屑形態(tài)具有相似性，可以為后續(xù)分析切屑的形態(tài)及形成過程提供依據(jù)。

高速銑削；銑削溫度；切屑形態(tài)；刀具幾何角度；有限元分析

0 引 言

鈦合金TC4具有密度小，耐熱性好，強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在航空、航天領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。鈦合金屬于難加工材料，切削過程中 刀具磨損快，材料去除率較低[1-2]。高速銑削在鈦合金加工中的應(yīng)用，極大地提高了加工效率和表面質(zhì)量。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，在高速銑削過程中，產(chǎn)生切削抗力和大量的切削熱及多種物理、化學(xué)現(xiàn)象，使刀具磨損加劇，其本質(zhì)原因是切屑變形過程[3]。研究切屑的變形過程、切屑的形態(tài)，有助于理解和分析高速銑削中刀具磨損規(guī)律，其中刀具參數(shù)對(duì)切屑的形成過程有很大影響，通過大量的切削實(shí)驗(yàn)來獲得切屑形態(tài)，是非常費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的。有限元分析技術(shù)的應(yīng)用，使得對(duì)于切屑的形成過程的研究取得了極大的進(jìn)展，并且減少了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及試切的次數(shù)。筆者利用第三波公司的Advantedge Fem 有限元分析軟件，研究高速銑削鈦合金TC4時(shí)，不同的刀具幾何角度，對(duì)切屑形態(tài)的影響，探究適合高速銑削TC4的合理的刀具幾何參數(shù)。

1 刀具參數(shù)與銑削條件

刀具材料YG8，實(shí)驗(yàn)材料鈦合金TC4(Ti6Al4V)。刀具類型為整體硬質(zhì)合金立銑刀，刀具直徑φ10 mm，刀具后角為15°，刀具長度60 mm，刀具切削部分長度為30 mm，實(shí)驗(yàn)中，主要考慮刀具前角α和螺旋角β的變化對(duì)加工產(chǎn)生的影響，刀具幾何角度如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)刀具幾何角度Table 1 Experimental tool geometry angle

根據(jù)現(xiàn)有條件和實(shí)驗(yàn)要求，選取切削實(shí)驗(yàn)的加工參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速2 800 r/min，銑削深度1 mm，銑削寬度2 mm，進(jìn)給量300 mm/min。

2 三維銑削過程的建模

鈦合金TC4在高速切削屬于非線性、大應(yīng)變、高應(yīng)變率變形，采用Advantedge 軟件，具有良好的非線性有限元計(jì)算能力，并采用自適應(yīng)技術(shù)，能根據(jù)加工過程中發(fā)生變形大小，自動(dòng)劃分的網(wǎng)格疏密，變形大則網(wǎng)格密，提高了仿真的精度[4]。

大多數(shù)的有限元仿真分析用的模型是二維模型，三維模型用的較少，原因是三維模型的建立增大了仿真的難度、考慮的因素也增加。刀具的螺旋角，在二維仿真過程中是不能輸入的，必須采用三維銑削有限元模型進(jìn)行仿真。根據(jù)工件和加工參數(shù)及表1中的刀具幾何角度，建立刀具和工件的有限元分析模型。2#刀的實(shí)驗(yàn)刀具和工件的三維銑削有限元模型，如圖1所示。

仿真軟件中所用工件尺寸是選取實(shí)際加工工件的一個(gè)微元，微元的尺寸為：長4 mm，寬3 mm，高1.5 mm，工件的底部在x，y和z方向是固定的。工件和刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由刀具以給定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，工件沿著水平方向的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，刀具旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給方向如圖1，銑削方式為順銑。由于鈦合金TC4在高速銑削中，產(chǎn)生比較大的應(yīng)變，目前，比較公認(rèn)的材料的本構(gòu)模型是J-C模型，因此文中也采用J-C模型[5]。

a

b

3 切屑形成的有限元模擬

將工件、刀具及切削參數(shù)等輸入到軟件后，通過Advantedge fem的遞交求解功能，在模擬結(jié)果分析軟件Tecplot中，可以看到切屑形成的動(dòng)態(tài)過程、切屑形態(tài)、銑削力及溫度分布等情況。對(duì)表1所列刀具幾何角度進(jìn)行三維銑削仿真，結(jié)果如圖2所示。

a α=12°30′，β=34°30

b α=2°5′，β=45°

c α=7°30′，β=60°

d α=7°30′，β=34°30′

為了分析方便，不同的溫度用不同的顏色表示。銑削過程中的溫度值由低到高的變化，對(duì)應(yīng)顏色的變化。從圖2中可以看出，2#刀具切屑的溫度最高為409.796 ℃，依次為7#406.867 ℃，4#375.185 ℃，9#366.966 ℃。四把刀具中，2#刀具前角最大，為12°30′，切屑上的溫度最高，原因是前角增加，刀具變得鋒利，摩擦生熱減少，銑削溫度降低，此時(shí)刀具和工件上的溫度最低[6]。四種刀具幾何角度獲得的銑削溫度分布情況為：切屑的溫度高于工件及刀具的溫度，說明高速銑削過程中，切屑帶走了大部分熱量，這與高速銑削的特點(diǎn)相符。

4 銑削實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比

所用加工設(shè)備為漢川立式加工中心型號(hào)為XH716E，測(cè)力儀型號(hào)為kistler9257b。銑削實(shí)驗(yàn)獲得的切屑與仿真的切屑形態(tài)對(duì)比如圖3所示。圖3中第一幅均為切削形態(tài)的7倍放大圖，最后一幅均為仿真圖。

a 2#刀

b 4#刀

c 7#刀

d 9#刀

從圖3可以看出，2#刀具的前角最大，前角增大是有利于切削的，所產(chǎn)生的切屑形態(tài)均勻、細(xì)小，說明排屑順暢，切削過程平穩(wěn)，切削表面的切削紋理均勻。4#刀具的前角較小，刃口不鋒利，所產(chǎn)生的切屑形態(tài)不規(guī)則，主要原因是塑性成形中產(chǎn)生擠壓、撕裂的現(xiàn)象，切削表面也易形成不一致的紋理。7#刀具的螺旋角過大，所產(chǎn)生的部分切屑存在撕裂的現(xiàn)象，主要的原因是切屑被擠壓，纏繞連接，造成排屑不順利，形成的加工表面會(huì)出現(xiàn)微小凹坑，由此可以看出，螺旋角不宜超過60°。9#刀具較7#刀具螺旋角減小，所產(chǎn)生的切屑形態(tài)呈規(guī)則的螺絲形，切屑形狀相對(duì)規(guī)則，說明排屑順暢，切削表面質(zhì)量變好。

5 結(jié) 論

(1)切屑的溫度高于工件和刀具的溫度，說明切削過程中，高速銑削產(chǎn)生的切削熱通過切屑散發(fā)掉，工件和刀具的溫度較低，符合高速切削的特點(diǎn)。

(2)通過分析切屑的形態(tài)與切削溫度分布之間的關(guān)系，可以看出，2#刀具是最優(yōu)的。前角在2°～15°范圍內(nèi)變化，增大前角，切屑規(guī)則且均勻，切屑上的溫度高，工件和刀具上的溫度較低，切削表面紋理均勻；螺旋角在30°～60°的范圍內(nèi)變化，增大螺旋角，可以獲得斜刃切削的效果，使實(shí)際前角加大，大的螺旋角有利于切削，但是過大，切屑形態(tài)不規(guī)則，主要是排屑不暢引起切屑與刀具不能快速分離，對(duì)加工產(chǎn)生不利影響。

(3)通過Advantedge有限元軟件對(duì)硬質(zhì)合金刀具高速銑削鈦合金的切屑形成過程，仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的切屑形態(tài)相似，能基本模擬加工時(shí)的切屑形態(tài)。有利于后續(xù)進(jìn)一步研究切屑的形成機(jī)理。

[1] Wang Xuehui,Zhou Ping,Liu Yawen,et al.Physical simulation of the cutting process induced by tool geometric angle and cutting parameters[J].Advanced Materials Research,2012,31(4)： 715-718.

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[3] 何 寧.高速加工理論與應(yīng)用[M].北京： 科學(xué)技術(shù)出版社，2010:13-15.

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[5] Johnson G R,Cook W H.A constitutive model and data for metals subjected to large strains,high strain rates and high temperatures[C]// Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics，1983: 541-547.

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(編輯 晁曉筠 校對(duì) 李德根)

Study on effect of geometrical angle of cemented carbide tool on chip formation in high speed milling titanium alloy TC4

FengMingjun

(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science & Technology,Harbin 150022,China)

This paper is focused on an investigation into the influence of the geometrical angle of the tool in the high speed milling on the chip morphology.The investigation is achieved by performing the high speed milling of the titanium alloy TC4 using the combination of simulation and experiment and using the different geometrical angle of the cemented carbide tool; and examining the chip morphology to obtain better processing surface quality.The investigation also involves developing the finite element model of high speed milling titanium alloy TC4 using the AdvantEdge finite element analysis software; given the cutting conditions,simulating the chip formation of titanium alloy TC4 for different relief angle and helix angle of the tool and thereby analyzing the relationship among the tool angle,milling temperature,and chip morphology; and ultimately performing machining experiment using the same tool geometric angle and milling parameters.The results demonstrate that,given the condition of high speed milling,the chip has a higher temperature than the workpiece and the cutting tool and enables the cutting heat dissipation,aiding cutting process; an appropriate increase in the rake angle gives a regular and uniform chip formation and a better surface quality; an increase in the helix angle in a certain range tends to leave the chip shape irregular,adversely affecting the process; and there occurs a similarity between the chip formation gained from the simulation and that of the milling experiment.The study may provide a basis for the analysis of the chip formation and forming process.

high speed milling; milling temperature; chip formation; tool geometry angle; finite element analysis

2017-01-20

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201328;QC2012C029);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541691)

馮明軍(1974-)，男，黑龍江省富錦人，高級(jí)工程師，研究方向：高速銑削加工，E-mail:mingjunfeng@126.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.014

TG506

2095-7262(2017)02-0165-03

A