切削方式對硬質(zhì)合金刀具軸向車銑鈦合金試驗分析

石莉，王書利，張瑩，姜增輝

(1.沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽，110159；2.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古包頭，014030)

0 引言

車銑技術(shù)是一種先進(jìn)高效的金屬切削方法，依據(jù)工件旋轉(zhuǎn)軸線與刀具旋轉(zhuǎn)軸線相對位置的不同，可分為軸向車銑、正交車銑以及一般車銑。依據(jù)工件和刀具旋轉(zhuǎn)相對方向的不同，又可分為順銑和逆銑。軸向車銑可以進(jìn)行外圓和內(nèi)孔的加工，如果配備特殊的工藝裝備，可以加工軸向行程較長的外圓表面及較深的內(nèi)孔表面，為其提供一種新的加工途徑。

姜增輝教授在《車銑技術(shù)》中通過研究外圓表面運(yùn)動軌跡指出，對于外圓表面要求形狀誤差較嚴(yán)格的工件和要求較高金屬切除率時，應(yīng)采用逆銑；從切削平穩(wěn)和刀具盡可能免受過強(qiáng)沖擊載荷角度分析，應(yīng)盡量避免采用軸向順銑[1]。但這僅是理論上的仿真研究，實際生產(chǎn)加工要受到加工方法、刀具材料、刀具角度及工件材料等眾多因素的影響。姜增輝、王文凱等對高速軸向車銑 TC4 內(nèi)孔的硬質(zhì)合金刀具磨損特性進(jìn)行研究，研究了切削速度為200m/min時軸向車銑內(nèi)孔時刀具的磨損特性及原因，并得出軸向車技加工內(nèi)孔時順銑加工優(yōu)于逆銑加工[2]，但關(guān)于切削方式對軸向車銑加工鈦合金內(nèi)外表面的綜合性研究的文獻(xiàn)并不多。

鈦合金是一種難加工材料，嚴(yán)重的黏結(jié)磨損一直制約著鈦合金的高效加工。本文在不同銑削方式下對硬質(zhì)合金刀具軸向車銑鈦合金進(jìn)行切削試驗，探究兩種切削方式下刀具的切削性能及其對鈦合金表面質(zhì)量的影響情況，對鈦合金的軸向車銑加工提供一定的參考。

1 試驗條件

1.1 工件材料

工件材料選用 TC4 鈦合金厚壁管，外圓直徑140mm，內(nèi)孔直徑 50mm，工件長度300mm。

1.2 主要試驗設(shè)備

試驗機(jī)床 : MAZAK200Y 臥式車銑加工中心如山特維克可樂滿立銑刀。刀桿型號為R390-025A25-11L，刀片 型號為 R390-11T308M-KL，牌號為 S30T圖 1。

圖1 車銑加工機(jī)床和刀具

1.3 試驗參數(shù)

干式軸向車銑外圓和內(nèi)孔，切削參數(shù)：切削深度5mm，軸向進(jìn)給量0.4mm，每齒進(jìn)給量0.1mm/z,切削速度：150m/min和200m/m；銑削方式：順銑和逆銑。

2 結(jié)果與分析

2.1 軸向車銑外圓和內(nèi)孔磨損形態(tài)對比分析

圖2為軸向車銑TC4鈦合金外圓時在順銑和逆銑兩種切削條件下S30T刀具后刀面磨損量即將達(dá)到或已經(jīng)達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時刀具磨損形貌圖，圖2a）和b）軸向順銑時，刀具前刀面和后刀面磨損主要以粘結(jié)磨損為主，刀具前后刀面，特別是刀尖圓弧附近都有不同程度的切屑粘結(jié)，副切削刃附近有一定程度的涂層的撕裂。圖2 c)和d）為軸向逆銑時，刀具前后刀面的磨損圖，可以看出切屑粘結(jié)比較嚴(yán)重，而且是大量切屑的粘結(jié)，嚴(yán)重影響正常的切削過程，工件表面質(zhì)量差，刀具快速磨損。

圖2 軸向車銑外圓刀具磨損形貌

圖3為軸向車銑TC4鈦合金內(nèi)孔時在順銑和逆銑兩種切削條件下S30T刀具后刀面磨損量即將達(dá)到或已經(jīng)達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)時刀具磨損形貌圖，圖圖3a）和b）軸向順銑時，刀具前刀面和后刀面磨損主要以粘結(jié)磨損為主，前刀面特別是刀尖圓弧出現(xiàn)塌陷凹坑，后刀面出現(xiàn)不同程度粘結(jié)坑，刀具材料被粘結(jié)切屑帶走。圖3 c)和d）為軸向逆銑時，刀具前后刀面的磨損圖，可以看出切屑粘結(jié)比順銑加工嚴(yán)重，切屑粘結(jié)的程度加重。

圖3 軸向車銑內(nèi)孔刀具磨損形貌

2.2 軸向車銑外圓和內(nèi)孔刀具磨損曲線及表面質(zhì)量對比分析

圖4為兩種切削速度時兩種切削方式下S30T刀具磨損曲線圖。由圖可知,無論是外圓加工還是內(nèi)孔加工，順銑模式下刀具的壽命較長，逆銑模式刀具壽命較短。當(dāng)切削速度為150m/min時，由圖4（a)可知逆銑外圓時刀具壽命最短。圖5為逆銑軸向車銑時刀具與工件運(yùn)動位置關(guān)系圖，逆銑加工時刀具主運(yùn)動方向與工件進(jìn)給運(yùn)動方向相反，實現(xiàn)由里向外切削，再加上正的刃傾角使刀尖圓弧附近的切削刃首先參與切削，逆銑時切削厚度由小變大，刀具與工件之間的擠壓與摩擦較大，刀具切出時切削厚度最大，再加上鈦合金好的韌性和表面活性，在切削溫度比較高的切削區(qū)域，剛剝離工件的切屑在較大摩擦和擠壓作用下，極易粘接在前刀面上，有圖2b)刀具磨損圖片可以得到證實。大量的切屑粘接在前刀面進(jìn)一步削弱刀具的切削性能，同時粘結(jié)的切屑又參與到后續(xù)的切削過程，進(jìn)一步擠壓和撕裂，甚至粘結(jié)在工件上，使表面質(zhì)量惡化，切削速度越高，此類現(xiàn)象越嚴(yán)重，圖6為v=200mm/min時加工后的工件表面，顯然在刀具、切屑和已加工表面之間發(fā)生了明顯的粘屑和撕屑現(xiàn)象。在軸向車銑鈦合金外圓過程中切削速度不應(yīng)太高或盡量避免采用逆銑的加工方式。逆銑軸向車銑內(nèi)孔時受刀具和工件相對位置的改變，使切削條件有所改善，表面質(zhì)量較逆銑外圓好，但如果不及時處理切屑，切屑易會粘接在已加工內(nèi)孔表面，使內(nèi)孔表面質(zhì)量變差。順銑加工外圓和內(nèi)孔時表面質(zhì)量較好，沒有出現(xiàn)切屑被撕裂并粘結(jié)在已加工表面上的現(xiàn)象。

圖4 為兩種切削速度時兩種切削方式下S30T刀具磨損曲線圖。

圖5 逆銑外圓刀具運(yùn)動位置關(guān)系圖

圖6 逆銑外圓已加工表面

3 結(jié)語

本文通過試驗研究了硬質(zhì)合金S30T刀具軸向車銑時在兩種不同切削方式下刀具的磨損形態(tài)、刀具磨損曲線及表面質(zhì)量特征，得出以下結(jié)論：

軸向車銑外圓或內(nèi)孔，同等條件下順銑時刀具壽命較逆銑時刀具壽命長。

軸向車銑外圓或內(nèi)孔，同等條件下順銑時表面質(zhì)量較逆銑時表面質(zhì)量好。

軸向車銑鈦合金時，優(yōu)先選用順銑加工方式。

軸向車銑時應(yīng)使刀具和工件處于利于排屑的相對位置。