刀具磨損對TC11銑削表面粗糙度與殘余應(yīng)力的影響

李 鋒 李旭東 劉維偉 杜崇輝

（1 西安航空學(xué)院，西安 710089）

（2 西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計與集成制造技術(shù)教育部重點實驗室，西安 710072）

（3 西安航空發(fā)動機（集團）有限公司，西安 710021）

文 摘 為了研究TC11 鈦合金銑削加工過程中刀具磨損對加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，設(shè)計了刀具磨損與銑削表面粗糙度、表面殘余應(yīng)力的試驗。結(jié)果表明：TC11 鈦合金銑削加工過程中的刀具磨損可以分為：初期磨損、正常磨損、劇烈磨損三個階段。當(dāng)?shù)毒咛幱凇俺跗谀p”時，TC11 銑削表面粗糙度隨切削時間逐漸減小，銑削表面殘余應(yīng)力也呈減小趨勢；當(dāng)?shù)毒咛幱凇罢Ｄp”階段時，銑削表面粗糙度和銑削表面殘余應(yīng)力都呈增加趨勢，但增加的速度平穩(wěn)；當(dāng)?shù)毒哌M入“劇烈磨損”階段時，銑削表面粗糙度迅速增大，表面殘余應(yīng)力也較前兩個階段顯著增加。另外，試驗過程中的TC11銑削表面殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

0 引言

鈦合金具有高比強度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空、航天制造領(lǐng)域。但由于鈦合金自身的物理、化學(xué)特性，使得鈦合金在切削加工中存在諸多問題，比如：切削溫度高、切削力大、冷硬現(xiàn)象嚴重、刀具易磨損等，這些切削過程中的內(nèi)部因素對工件的加工表面質(zhì)量都會造成不利影響［1］。鈦合金一般應(yīng)用在航空器、航天器的高溫部位，這些部位應(yīng)力集中、工況惡劣，對于零件的可靠性要求較高，而工件的加工表面質(zhì)量對于自身的可靠性有很大影響。據(jù)統(tǒng)計，在航空零件的失效中疲勞失效占80%以上，而在疲勞失效中，80%以上的疲勞裂紋一般起始于切削刀痕、表層組織燒傷、表層拉應(yīng)力造成的加工表面缺陷處［1-3］。因此，研究鈦合金切削過程中的表面質(zhì)量問題具有重要的實用價值。

國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金切削加工中的表面質(zhì)量問題進行了大量的研究。DAYMIN 等［4］采用涂層刀具對Ti6Al4V進行了銑削試驗，分析了刀具加工傾角和切削速度對加工表面質(zhì)量的影響。SHARMAN 等［5］對TiAl 合金進行了車削試驗，分析了不同切削速度對加工表面質(zhì)量的影響。MANTLE 和ASPINWALL［6］進行了TiAl 合金的高速銑削試驗，研究了刀具磨損、冷卻條件、銑削用量等對加工表面質(zhì)量的影響。國內(nèi)馮浩等［7］研究了Ti6Al4V 高速銑削時，切削參數(shù)對加工表面粗糙度、銑削力、表面殘余應(yīng)力、表面硬化等的影響。倪君輝等［8］研究了TC4 鈦合金高速銑削過程中刀具后刀面磨損對加工表面粗糙度的影響。姚倡鋒等［9］研究了TC11高速銑削時，冷卻工藝、刀具前角和切削參數(shù)對加工表面粗糙度和表面形貌的影響規(guī)律。上述的研究中，針對鈦合金TC4、Ti6Al4V的加工表面質(zhì)量問題研究較多，而TC11 加工表面質(zhì)量的研究較少。TC11 和TC4、Ti6Al4V 等鈦合金相比，化學(xué)組成不同，性能也有區(qū)別，TC11 比TC4 具有更好的抗氧化性，拉伸強度、屈服強度也更大，阻燃性更好。本文主要針對鈦合金TC11，重點分析刀具磨損對TC11 加工表面粗糙度與表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，擬為改善TC11 鈦合金銑削加工表面質(zhì)量、提高刀具壽命提供依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗

1.1 試驗條件

采用2 個TC11 的梯形塊，幾何尺寸為：30 mm×40 mm×45 mm，TC11 是一種α-β 型鈦合金材料［9］，其化學(xué)成分如表1所示。選用喬福機械VMC850 三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床，最大轉(zhuǎn)速8 000 r/min，功率22 kW；刀具選用整體硬質(zhì)合金球頭銑刀，牌號K44，直徑12 mm，4 刃；采用Mahr XCR20 型粗糙度輪廓儀測量表面粗糙度；采用ALICONA 公司的非接觸式三維表面形貌儀測量刀具磨損量；采用加拿大PROTO LXRD殘余應(yīng)力測試分析系統(tǒng)測試殘余應(yīng)力。

表1 TC11化學(xué)成分Tab.1 Chemical constitution of TC11 %（質(zhì)量分數(shù)）

1.2 試驗方案

試驗分兩步進行：第一步進行刀具磨損試驗，采用其中一個試件，在每切削1 m 后拆下銑刀，做好標(biāo)記，然后對刀具后刀面磨損量進行測量，再將銑刀裝回工作臺，繼續(xù)用相同部位進行切削，直至刀具達到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)即停止試驗；第二步進行刀具磨損與加工表面質(zhì)量的試驗，采用隔離槽將另一試件的斜面劃分為5個區(qū)域，再結(jié)合試驗1中的結(jié)果，將5把相同的刀具磨損到具有代表性的5個不同階段，然后在試件上的5 個區(qū)域進行切削試驗。試驗結(jié)束后，在5 個區(qū)域內(nèi)測定加工表面粗糙度和表面殘余應(yīng)力。

表面粗糙度的測量是在每組試驗區(qū)域的表面取平行于刀具進給方向進行測量，每一組試驗測5 次，求平均值作為最終測量值；殘余應(yīng)力的測試是在每組試驗區(qū)域沿進給方向選取3個點進行測量，求平均值作為最終測量值；刀具的磨損標(biāo)準(zhǔn)按照IOS國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：以1/2 背吃刀量處的后刀面上的磨損帶寬度VB，作為刀具的磨損標(biāo)準(zhǔn)；試驗采用HU（水平向上）走刀方式；刀軸傾角采用40°；采用Blasor 切削液冷卻；切削參數(shù)根據(jù)實際加工經(jīng)驗統(tǒng)一選取，切深ap=0.2 mm，切寬ae=0.5 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，每齒進給量fz=0.1 mm/z。

2 結(jié)果分析

2.1 刀具磨損分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，可以將刀具整個磨損階段的后刀面磨損量VB與磨損時間t繪制成刀具的磨損曲線，如圖1所示。

圖1 刀具磨損曲線Fig.1 Tool wear curve

根據(jù)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，參考其他材料銑削過程中的刀具磨損過程，大致可以將TC11 銑削過程中的刀具磨損也劃分為三個階段，即：初期磨損、正常磨損、劇烈磨損。從圖1可以看出，對于試驗所選刀具，初期磨損的時間大約為：0～40 min，該階段的后刀面磨損較小，后刀面磨損量小于0.1 mm；正常磨損階段的時間大致為40～220 min，該階段刀具后刀面的磨損量小于0.3 mm；劇烈磨損階段大致在220～240 min 的時間，該階段的刀具磨損加快，經(jīng)過測試，240 min 時的刀具后刀面磨損量已經(jīng)達到了0.42 mm。

一般情況下，刀具在磨損的初期和正常磨損期，刃口承受的壓強大小對刀具的磨損至關(guān)重要。在刀具磨損初期，由于新刀具的刃口鋒利，刃口切削時承受的壓強較大，致使刃口磨損較快；進入正常磨損階段后，刀具后刀面的磨損量緩慢增加，這是由于刀具刃口在經(jīng)過初期磨損之后，刃口壓強也逐漸趨于穩(wěn)定，因此刃口的磨損量也會緩慢的增加；當(dāng)進入劇烈磨損階段時，刀具的磨損開始明顯加快，此時決定刀具磨損的因素已經(jīng)發(fā)生了變化。切削過程中，刀具后刀面和工件之間的摩擦力、切削溫度起主要作用，由于磨損加劇的情況下，這兩者增加較快，促使刀具的磨損也更加劇烈。

2.2 刀具磨損對TC11表面質(zhì)量的影響

2.2.1 對表面粗糙度的影響

刀具的磨損處在不同階段，對工件加工表面質(zhì)量的影響不一樣。一般刀具后刀面的磨損會導(dǎo)致已加工表面粗糙度的惡化和尺寸精度的降低［10］。將刀具整個磨損階段的后刀面磨損量VB與工件加工表面粗糙度Ra繪制成曲線，如圖2所示?？傮w上看，隨著硬質(zhì)合金球頭銑刀的后刀面磨損，鈦合金TC11 的加工表面粗糙度先減小后增大。

圖2 后刀面磨損量與加工表面粗糙度關(guān)系曲線Fig.2 Curve of machined surface roughness and the flank wear

從圖2看出，當(dāng)?shù)毒咛幱凇俺跗谀p”（VB＜0.1 mm）時，工件的加工表面Ra呈減小趨勢，這是因為刀具的切削刃由鋒利狀態(tài)快速磨損，而刀尖的部分磨損起到了修光刃的作用，使加工更為平穩(wěn)，表面質(zhì)量有所提高；在此后一段較長時間中（40～220min），刀具處于“正常磨損”階段，后刀面的磨損量VB保持在0.1～0.3 mm，工 件的表面Ra保 持在0.38～0.55μm，整個切削過程相對穩(wěn)定，加工表面質(zhì)量較好；當(dāng)?shù)毒哌M入“快速磨損”階段（約220 min 以后），此時刀具后刀面的磨損超過了0.3VB，工件表面Ra繼續(xù)呈增加趨勢，此時刀具后刀面的磨損情況如圖3所示，發(fā)現(xiàn)刀具后刀面出現(xiàn)凹凸相間的鋸齒狀磨損。

圖3 振動時的后刀面磨損Fig.3 The flank wear during vibration

2.2.2 對表面殘余應(yīng)力的影響

將刀具整個磨損階段的后刀面磨損量VB與工件表面殘余應(yīng)力繪制成曲線，如圖4所示?？傮w上看，隨著硬質(zhì)合金球頭銑刀的后刀面磨損，鈦合金TC11的表面殘余應(yīng)力呈增大趨勢，而且所有測量值均為殘余壓應(yīng)力，y方向的殘余壓應(yīng)力還顯著大于x方向。這是由于在精加工環(huán)境下主要以刀具后刀面對已加工表面的“擠壓”作用為主，所以刀具后刀面的磨損越大，對已加工表面的擠壓作用也越強烈，繼而所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力影響層越深，相對殘余壓應(yīng)力也越大。

圖4 后刀面磨損量與表面殘余應(yīng)力變化曲線Fig.4 Curves of surface residual stress and the flank wear

從圖4可以看出，當(dāng)?shù)毒咛幱凇俺跗谀p”時，工件表面殘余應(yīng)力呈減小趨勢，這是因為刀具在鋒利狀態(tài)下（VB=0），刀刃所受壓強較大，因此刀具的磨損一開始比較劇烈，對于工件的已加工面的摩擦也較大；隨著切削的進行，刀具刃口的磨損均勻，對于后刀面的磨損較前一階段減小，故殘余應(yīng)力主要由切削力引起的冷塑性變形所致［11］，刀具的磨損進入了“正常磨損”階段。隨著切削的進行，切削力與刀具磨損均開始逐漸增大，刀具磨損對工件已加工面的摩擦也開始進一步增大，基于以上兩種原因，表面的殘余壓應(yīng)力開始呈上升趨勢。同理，“劇烈磨損”階段的殘余壓應(yīng)力較前兩階段的增加更為迅速，表面的殘余壓應(yīng)力與粗糙度都有快速的增加。

3 結(jié)論

（1）采用整體硬質(zhì)合金球頭銑刀銑削TC11 時，當(dāng)?shù)毒咛幱凇俺跗谀p”時，TC11 銑削表面粗糙度隨切削時間逐漸減小，當(dāng)?shù)毒咛幱凇罢Ｄp”階段時，銑削表面粗糙度逐漸增加，增加的速度較平緩，當(dāng)?shù)毒哌M入“劇烈磨損”時，銑削表面粗糙度迅速增大。

（2）當(dāng)?shù)毒咛幱凇俺跗谀p”時，TC11銑削表面殘余應(yīng)力呈減小趨勢，當(dāng)?shù)毒咛幱凇罢Ｄp”階段時，銑削表面殘余應(yīng)力呈緩慢增加趨勢，當(dāng)?shù)毒哌M入“劇烈磨損”階段時，銑削表面殘余應(yīng)力較前兩個階段顯著增加。

（3）TC11 銑削表面殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，y方向的殘余壓應(yīng)力顯著大于x方向。