逆-順銑方式對(duì)鈦合金TC4高速切削過程影響的比較研究

何光春

摘要：本文采用仿真軟件模擬了PCBN對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行高速干式切削過程，研究了逆銑-順銑對(duì)鈦合金高速切削過程量的影響規(guī)律。結(jié)果表明，逆銑時(shí)的切屑更易卷曲，相較于順銑多30%，但不易斷屑，易于產(chǎn)生毛刺;與逆銑相比，順銑時(shí)的切削溫度較低，利于斷屑、刀具壽命及零件表面質(zhì)量;在主切削力和切削熱累積雙重作用下，逆銑后期刀具抗彎強(qiáng)度很不利，而逆銑時(shí)次切削力方向呈y正向不利于切削過程的平穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：逆銑與順銑;切屑形成;斷屑

0? 引言

銑削是機(jī)械加工應(yīng)用中最廣泛的加工方式之一，根據(jù)銑刀與工件接觸部分的旋轉(zhuǎn)方向和切削進(jìn)給方向之間的關(guān)系，分為順銑和逆銑[1-3]，原理如圖1所示。上述兩種銑削方式對(duì)切屑形成會(huì)產(chǎn)生何種影響，是機(jī)械加工領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題，主要是因?yàn)樗苯踊蜷g接影響零件表面質(zhì)量、刀具磨損等。鑒于此，本文基于有限元數(shù)值模擬技術(shù)，以PCBN刀具對(duì)鈦合金TC4進(jìn)行切削加工過程仿真，以期研究不同銑削方式對(duì)切削進(jìn)程的影響規(guī)律，進(jìn)而為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1? 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究逆銑、順銑對(duì)高速切削鈦合金切屑形成的影響，因此，除切削方式外，其他參數(shù)保持恒定，見表1。采用通用有限元分析軟件，為了縮短計(jì)算時(shí)間，以二維銑削進(jìn)行模擬，設(shè)定零件x、y向及刀具y向的自由度為0，而刀具x向則以擬定切削速度對(duì)鈦合金TC4進(jìn)行切削加工。

2? 結(jié)果分析

2.1 切屑形成與切削溫度

圖2所示為逆銑和順銑高速切削鈦合金TC4時(shí)的切屑形態(tài)和切削溫度。從圖中可以看出，在相同切削長(zhǎng)度的情況下，逆銑比順銑的切屑卷曲更劇烈，至少多卷曲30%。并且，從斷屑情況來看，逆銑時(shí)，切屑前薄后厚，不易斷屑，極易產(chǎn)生粗大毛刺;順銑時(shí)，切屑前厚后薄，重心置前，易于斷屑，也不產(chǎn)生毛刺。

切削溫度帶圖表明，逆銑時(shí)瞬時(shí)高溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于順銑，局部溫度比順銑高60%，對(duì)切削過程產(chǎn)生顯著影響。一是高切削溫度容易導(dǎo)致切屑軟化嚴(yán)重，強(qiáng)度降低，在外力或重力做一下不易折斷，不利于切削過程順利進(jìn)行;二是高切削溫度容易“破壞”零件表明性能;三是高切削溫度更易導(dǎo)致刀具磨損加劇，從而縮短刀具使用壽命。

2.2 切削力

圖3 所示為高速銑削鈦合金TC4時(shí)的切削力圖。順銑時(shí)的主切削力迅速攀升到約440N，而逆銑初期的主切削力很小，這與兩種銑削方式的切削厚度有關(guān)，如2.1所述。繼續(xù)切削，順銑的主切削力逐漸下降，而逆銑的主切削力則逐步升高。從圖中可見，順銑時(shí)主切削力最高點(diǎn)略高于逆銑，因初期切削熱對(duì)零件材料軟化作用弱，且順銑初期的切削厚度大，切削阻力高;但到切削后期，切削熱累積對(duì)待加工材料具有較高的軟化效應(yīng)，此時(shí)雖然逆銑的切削厚度與順銑初期相當(dāng)，但切削阻力相對(duì)較小些。另外，逆銑后期切削阻力高，而由于切削熱累積對(duì)刀具軟化效應(yīng)較明顯，降低了其抗彎強(qiáng)度，顯然對(duì)切削不利。

順銑時(shí)次切削力變化趨勢(shì)與其主切削力類似，且峰值最高約200N;而逆銑次切削力比較平穩(wěn)，其峰值達(dá)約120N。從圖1所示原理圖可知，順銑時(shí)次切削力方向是y負(fù)向，逆銑則是y正向。

順銑時(shí)的次切削力把零件壓緊在工作臺(tái)上，不管其值高低，不至于產(chǎn)生附加切削振動(dòng)，有利于提高零件表面加工質(zhì)量和刀具壽命;逆銑時(shí)的次切削力使零件從工作臺(tái)上抬升的趨勢(shì)，容易產(chǎn)生切削振動(dòng)，對(duì)零件表面質(zhì)量和刀具壽命極為不利，甚至?xí)?yán)重影響零件加工尺寸而造成加工廢品。因此，逆銑時(shí)次切削力顯然不能太高。

3? 結(jié)論

逆銑時(shí)斷屑困難，易出現(xiàn)毛刺，切削溫度高，易振動(dòng)，刀具壽命短，零件表面質(zhì)量不高。順銑時(shí)切削溫度較低，切屑卷曲程度小，易斷屑，切削過程平穩(wěn)。

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