自制硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金時(shí)的銑削性能研究*

吳春亞 王廣洲 李曦光 齊 彪 陳 妮 陳明君

(①哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080；②哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；③南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

鈦合金強(qiáng)度高、耐蝕性好及耐熱性高，是航空航天、生物醫(yī)學(xué)及軍事領(lǐng)域中的重要結(jié)構(gòu)材料[1-3]。其中，Ti-6Al-4V是目前使用最為廣泛的鈦合金之一[4-5]，同時(shí)它又屬于難加工材料，在切削過(guò)程中，由于彈性回復(fù)量大、切削溫度高，易造成刀具磨損過(guò)快，加工質(zhì)量惡化等問(wèn)題[6-10]。因此，刀具幾何參數(shù)優(yōu)化和切削參數(shù)優(yōu)選正在發(fā)展成為解決Ti-6Al-4V材料加工難題的關(guān)鍵突破口。

李有學(xué)[11]采用正交實(shí)驗(yàn)法分析了立銑刀的螺旋角、前角及后角等幾何參數(shù)對(duì)刀具磨損和加工表面粗糙度的影響規(guī)律，明確了立銑刀幾何參數(shù)優(yōu)化能提高刀具的切削性能和使用壽命。Kumar等[12]利用有限元軟件分析了立銑刀在加工Ti-6Al-4V時(shí)，刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力、刀具磨損和切削溫度等的影響，并以刀具受力最小為原則，對(duì)銑刀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)與其他商用刀具的切削實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后刀具的切削性能及使用壽命都得到了提高。Suresh等[13]通過(guò)鈦合金切削實(shí)驗(yàn)研究了刀具參數(shù)對(duì)刀具磨損、工件尺寸穩(wěn)定性及工件質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)刀尖圓弧半徑和進(jìn)給速度對(duì)加工表面質(zhì)量的影響較大。張建飛等[14]模擬了Ti-6Al-4V高速切削過(guò)程，分析了刀具幾何參數(shù)在特定加工條件下對(duì)切削力的影響規(guī)律。Reddy等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了立銑刀的前角、刀尖圓弧半徑以及切削速度等對(duì)加工表面質(zhì)量的影響，并以加工表面質(zhì)量作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，采用遺傳算法對(duì)刀具的幾何參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化選擇。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究已充分表明，在鈦合金加工過(guò)程中，刀具幾何參數(shù)和工作時(shí)的切削參數(shù)對(duì)切削力、切削溫度和加工表面質(zhì)量均具有重要影響。因此，本文在利用有限元軟件對(duì)刀具幾何參數(shù)有效優(yōu)化的基礎(chǔ)上，制備得到自行設(shè)計(jì)的硬質(zhì)合金四刃平頭立銑刀，通過(guò)該刀具在Ti-6Al-4V表面的槽型銑削加工，分析切削參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并將自制四刃平頭立銑刀與商用銑刀在相同切削條件下，開(kāi)展切削性能及磨損情況對(duì)比分析。

1 鈦合金銑削加工三維仿真

利用UG軟件分別建立四刃平頭立銑刀和Ti-6Al-4V基底模型之后，將其導(dǎo)入AdvantEdge有限元仿真軟件，建立如圖1所示的四刃平頭立銑刀銑削Ti-6Al-4V的三維仿真模型。

1.1 仿真條件設(shè)置

(1)

表1 Ti-6Al-4V材料對(duì)應(yīng)的J-C本構(gòu)模型參數(shù)

選用基于恒剪切假設(shè)的剪切摩擦模型，兼顧實(shí)際切削條件，將摩擦系數(shù)設(shè)置為0.5。由于AdvantEdge軟件具有網(wǎng)格重劃分功能，故采用Cockcroft和Latham提出的C&L斷裂準(zhǔn)則[17]作為切屑分離準(zhǔn)則，以避免網(wǎng)格畸變問(wèn)題的出現(xiàn)。

在銑削過(guò)程中，刀具的螺旋角β、前角γ和后角α分別影響著切削過(guò)程的穩(wěn)定性、切削力、切削熱以及后刀面與已加工表面之間的摩擦等多個(gè)方面，已被公認(rèn)為銑刀優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要考慮的主要參數(shù)[18-19]。因此，本文以刀具β、γ和α為變量，根據(jù)表2所列參數(shù)進(jìn)行銑削加工仿真。刀具材料為YG類硬質(zhì)合金，加工方式為順銑，刀具及工件均采用4節(jié)點(diǎn)12自由度四面體單元的網(wǎng)格類型。

表2 刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)

1.2 仿真結(jié)果分析

在加工鈦合金時(shí)，切削力和切削溫度對(duì)工件的尺寸精度、形狀精度、加工變質(zhì)層和刀具耐用度等都會(huì)產(chǎn)生不同程度影響，因此，本文以切削力和切削溫度作為刀具切削性能的主要評(píng)價(jià)參數(shù)[20-21]。

圖2為仿真得到的四刃平頭立銑刀幾何參數(shù)對(duì)三向平均切削力和切削溫度的影響曲線。從圖中可以看出，x向切削力明顯大于其他兩個(gè)方向，且基本與切削溫度保持一致的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)閤向是切削過(guò)程中的主要受力方向，切削熱主要來(lái)源于x向切削。綜合切削力和切削溫度的變化趨勢(shì)可知，當(dāng)β為40°～45°、γ為5°～15°、α為13°～18°時(shí)，四刃平頭立銑刀加工Ti-6Al-4V時(shí)的切削力和切削溫度相對(duì)較為穩(wěn)定，且數(shù)值較小。

2 四刃平頭立銑刀的幾何參數(shù)優(yōu)選

基于上述仿真結(jié)果，以切削力最小、切削溫度最低為原則，對(duì)四刃平頭立銑刀的幾何參數(shù)進(jìn)行了單因素優(yōu)選，但鑒于刀具各幾何角度相互之間的耦合效應(yīng)必然會(huì)對(duì)其切削性能造成影響，因此，仍需要對(duì)刀具幾何角度進(jìn)行正交優(yōu)選。

當(dāng)前角取值為正時(shí)，x向切削力基本保持單調(diào)遞減趨勢(shì)。但當(dāng)γ=10°時(shí)，切削溫度達(dá)到最低點(diǎn)，因此取該拐點(diǎn)所在區(qū)間，即γ=8°、10°、12°進(jìn)行分析。當(dāng)后角取值為15°時(shí)，x向切削力達(dá)到低值，但切削溫度在高點(diǎn)，因此選取α=13°、15°、17°為分析范圍。由于圖2a顯示當(dāng)螺旋角為40°～45°時(shí)，切削力和切削溫度均達(dá)到最低值，故細(xì)化取值后選取β=41°、43°、45°進(jìn)行分析。正交優(yōu)化仿真計(jì)算中的刀具幾何角度取值見(jiàn)表3，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。

表3 正交優(yōu)化仿真計(jì)算中的刀具幾何角度 (°)

綜合可見(jiàn)，當(dāng)采用第5組刀具幾何角度組合，即γ=10°、α=13°、β=43°時(shí)，四刃平頭立銑刀加工Ti-6Al-4V時(shí)的切削力和切削溫度達(dá)到最低值，即刀具的切削性能最佳。因此，基于該組幾何參數(shù)進(jìn)行刀具實(shí)體制備及商用刀具的購(gòu)買(mǎi)，并利用兩種刀具開(kāi)展相關(guān)的銑削加工實(shí)驗(yàn)。

3 Ti-6Al-4V表面槽型銑削實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

采用祥泰VM7032數(shù)控銑床，機(jī)床工作臺(tái)面積為800 mm×320 mm，主軸最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min。刀具分別為圖4a所示自制的四刃平頭立銑刀和圖4b所示OSG公司生產(chǎn)的商用四刃平頭立銑刀，工件為50 mm×50 mm×20 mm的Ti-6Al-4V板料，所銑槽型寬度為刀具直徑，長(zhǎng)度為刀具直徑的3～5倍。

3.2 自制刀具槽型銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用自制的四刃平頭立銑刀在Ti-6Al-4V表面進(jìn)行槽型銑削加工，分析切削深度(ap)、主軸轉(zhuǎn)速(n)和每齒進(jìn)給量(fz)對(duì)加工表面形貌(切削參數(shù)見(jiàn)表4)，尤其是表面毛刺的影響效果。

表4 Ti-6Al-4V槽型銑削實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.2.1 切屑形貌分析

在相同刀具幾何參數(shù)和切削條件下，分別開(kāi)展了切削仿真和實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)，圖5左側(cè)分圖為利用自制四刃平頭立銑刀加工Ti-6Al-4V材料后獲得的C形和螺旋形切屑形態(tài)，右側(cè)分圖為仿真獲得的切屑形態(tài)。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)與仿真中所生成的切屑形態(tài)相似度較高，切屑的卷曲方式與曲率也非常接近，由此表明自行設(shè)計(jì)并制備得到的四刃平頭立銑刀符合設(shè)計(jì)要求，適合用于Ti-6Al-4V材料的切削實(shí)驗(yàn)。

3.2.2 切削參數(shù)對(duì)Ti-6Al-4V槽型銑削的影響分析

在改變切削深度情況下，加工得到的槽型邊沿均存在明顯毛刺(圖6)，且順銑側(cè)毛刺尺寸明顯大于逆銑側(cè)。這是由于逆銑側(cè)刀具切削時(shí)，厚度逐漸增加，且切削合力方向有利于切屑的塑性變形和排出，而在順銑側(cè)，由于刀具先從最厚處入刀，隨后厚度逐漸減小，生成的切屑，尤其是長(zhǎng)切屑，很容易被推擠至頂端形成大毛刺。隨著切削深度的增加，軸向切削力也隨之增大，從而使得材料更容易被切除而形成切屑，同時(shí)毛刺的整體尺寸隨之減小，槽型整體形貌較好。

如圖7所示，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，槽型邊沿毛刺尺寸逐漸減小。究其原因，一方面是當(dāng)切削刃的切削速度較低時(shí)，切削刃與工件之間存在擠壓作用，而非完全的切削作用，因此無(wú)法將工件材料有效去除，同時(shí)當(dāng)切削刃運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)，切屑無(wú)法從前刀面及時(shí)流出。然而，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，槽底表面質(zhì)量明顯變差，如圖7c和7d所示，槽底存在明顯的缺陷和刮痕。

當(dāng)每齒進(jìn)給量在1.5×10-2mm/z及以下時(shí)，所切槽型的邊沿毛刺尺寸較小，當(dāng)增大每齒進(jìn)給量時(shí)，槽沿毛刺尺寸亦隨之增大(圖8)。這是因?yàn)楫?dāng)每齒進(jìn)給量較小時(shí)，切削過(guò)程中刀具徑向切削層厚度較小，故產(chǎn)生的切屑厚度較小，導(dǎo)致所形成的毛刺尺寸略小，當(dāng)增大每齒進(jìn)給量時(shí)，切削層厚度增加，產(chǎn)生的切屑厚度亦隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致槽沿毛刺尺寸逐漸變大。

3.3 自制及商用四刃平頭立銑刀的切削性能對(duì)比

為評(píng)價(jià)刀具的切削性能，采用自制和OSG公司生產(chǎn)的四刃平頭立銑刀，在表5所列切削條件下，開(kāi)展槽型銑削對(duì)比實(shí)驗(yàn)。由前述分析可知，主軸轉(zhuǎn)速過(guò)小會(huì)導(dǎo)致槽沿毛刺尺寸增大，轉(zhuǎn)速過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致槽底質(zhì)量變差，因此在刀具性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，選擇適中且恒定的主軸轉(zhuǎn)速，只改變切削深度和每齒進(jìn)給量。

表5 Ti-6Al-4V槽型銑削參數(shù)表

3.3.1 槽型加工效果對(duì)比分析

在開(kāi)展的8組對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，以第2組為例，給出兩種刀具所加工槽型的形貌對(duì)比(圖9)。可以發(fā)現(xiàn)，自制四刃平頭立銑刀所加工的槽沿僅殘留有較小尺寸的毛刺，槽底表面只有輕微刀痕，幾乎沒(méi)有殘余碎屑，切入切出邊沿較為整齊(圖9a)。經(jīng)商用四刃平頭立銑刀加工后，槽沿存在較大尺寸的翻轉(zhuǎn)毛刺，而且由于刀具螺旋槽底部不是完全的光滑狀，導(dǎo)致切屑排出受到了一定的影響，同時(shí)槽沿根部及槽底表面均有明顯刀痕，這可能是由于商用刀具端刃對(duì)槽底存在較為明顯的擠壓作用，使得槽底表面質(zhì)量變差。

為對(duì)加工效果進(jìn)行定量對(duì)比，圖10給出了不同刀具加工時(shí)，切削深度和每齒進(jìn)給量與加工表面粗糙度和毛刺長(zhǎng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖10a可以發(fā)現(xiàn)，隨著切削深度的增大，兩種刀具切削后的表面粗糙度數(shù)值均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，但拐點(diǎn)位置有所不同，自制銑刀在ap=1.5 mm時(shí)得到的表面粗糙度數(shù)值最低，而商用銑刀則在ap=1.0 mm時(shí)得到的粗糙度數(shù)值最低。在毛刺尺寸方面，隨著切削深度的增大，兩種刀具切削后產(chǎn)生的毛刺長(zhǎng)度均有所增大，但商用刀具的上升趨勢(shì)更為顯著。從整體來(lái)看，在所設(shè)定的切削深度范圍內(nèi)，自制刀具加工后的表面質(zhì)量和毛刺尺寸均優(yōu)于商用刀具。

從圖10b可以看出，隨著每齒進(jìn)給量的增加，兩種刀具切削后表面粗糙度和毛刺長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)變化趨勢(shì)幾乎相同，表面粗糙度均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，且拐點(diǎn)均位于fz=1.5×10-2mm/z處，毛刺長(zhǎng)度則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，拐點(diǎn)均位于fz=1.875×10-2mm/z處。從整體來(lái)看，在所設(shè)定的每齒進(jìn)給量范圍內(nèi)，采用商用刀具加工后得到的粗糙度數(shù)值和毛刺長(zhǎng)度均明顯大于自制刀具。

3.3.2 刀具磨損情況對(duì)比分析

自制和商用四刃平頭立銑刀分別在加工2 h后出現(xiàn)了不同程度的磨損，從圖11a可以發(fā)現(xiàn)，自制刀具端刃前、后刀面磨損較為嚴(yán)重，刀尖和周刃切削刃處也出現(xiàn)了一定程度的磨損。圖11b顯示，商用刀具端刃后刀面磨損顯著，前刀面出現(xiàn)了積屑瘤，總體磨損量明顯大于自制刀具。

根據(jù)兩種刀具在不同切削深度和不同每齒進(jìn)給量條件下，所加工得到槽型對(duì)應(yīng)的表面粗糙度和毛刺尺寸變化趨勢(shì)，并結(jié)合刀具的磨損狀況，可以表明自制四刃平頭立銑刀的切削性能優(yōu)于商用四刃平頭立銑刀。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)正交優(yōu)化仿真計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)四刃平頭立銑刀采用γ=10°、α=13°、β=43°的刀具幾何角度組合時(shí)，加工Ti-6Al-4V時(shí)的切削力和切削溫度達(dá)到相對(duì)較低值。

(2)基于優(yōu)化后幾何參數(shù)制備得到的四刃平頭立銑刀在加工Ti-6Al-4V材料時(shí)獲得的切屑與切削仿真中生成的切屑形態(tài)相似度很高，表明自制刀具的幾何參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。

(3)在給定的范圍內(nèi)，采用較大的切削深度(ap=2.0 mm)、適中的主軸轉(zhuǎn)速(n=1 500 r/min)及較小的每齒進(jìn)給量(fz=0.75×10-2mm/z)時(shí)，自制四刃平頭立銑刀加工獲得的Ti-6Al-4V表面質(zhì)量相對(duì)更佳。

(4)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，自制四刃平頭立銑刀加工得到的Ti-6Al-4V槽型表面質(zhì)量、毛刺形態(tài)以及刀具磨損狀況均優(yōu)于商用四刃平頭立銑刀。