TC4圓弧形槽銑削刀具的研發(fā)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

葛傳志，朱留憲，楊林嵩

1四川省高溫合金切削工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室；2西南交通大學(xué)；3四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系

1 引言

鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性及耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于航空航天領(lǐng)域。但是其屬于難加工材料和典型的粘性材料，因此具有導(dǎo)熱系數(shù)小，彈性模量小等特點(diǎn)[1，2]，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，國內(nèi)外很多學(xué)者對切削鈦合金進(jìn)行了深入研究[3-8]。

加工鈦合金的刀具一般有四種：高速鋼刀具、硬質(zhì)合金鋼刀具、涂層刀具及超硬刀具，價格依次遞增。本文采用以W18CR4V高速鋼為基體的切削刀具，通過控制刀具幾何角度參數(shù)(刀具角度)，同時可微調(diào)切削圓柱弧面徑向半徑。刀具采用單刃口并聯(lián)加工，表面精度可達(dá)到Ra1.6μm，加工工件效果完全等同于涂層刀具和超硬刀具加工效果，且成本大大降低，可大規(guī)模批量投入生產(chǎn)加工。

切削加工圓弧形槽過程中的清根十分困難，往往會因?yàn)榧庸み^程中圓角過大導(dǎo)致裝配過程失敗，因此，保證兩端面與圓弧面垂直度效果對清根非常重要?？赏ㄟ^刃傾角和主后角配合進(jìn)行強(qiáng)化清根，且副后角有利于高效排屑。

2 刀具形狀及參數(shù)設(shè)計(jì)

如圖1所示，銑刀的刀柄尺寸為16mm×15mm×12mm，刀頭寬度2mm，刀片采用W18CR4V高速鋼，其抗彎強(qiáng)度為2.7～3.8GPa，沖擊韌度0.23～0.30J/cm2，具有較高的常溫和高溫強(qiáng)度和硬度，刀桿參數(shù)為直徑25mm，短軸150mm，圓柱面開方通孔，尺寸為8mm×8mm，端面車螺紋M8，用于固定刀片。該銑刀可適用于鏜銑直徑10～300mm的圓柱形凹槽，并能實(shí)現(xiàn)對凹槽的一次清根處理，加工表面粗糙度可達(dá)Ra1.6μm。工件材料的化學(xué)成分和刀具的幾何參數(shù)分別見表1和表2。

圖1 切削鈦合金圓弧形槽銑刀

表1 Ti6A14V鈦合金的化學(xué)成分 (%)

表2 刀具幾何參數(shù)

3 切削加工試驗(yàn)

試驗(yàn)選用北京第一機(jī)床廠XA6132臥式銑床，加工圓弧半徑為30mm，主軸轉(zhuǎn)速為150r/min，切削速度V=28m/min，進(jìn)給速度Vf=30mm/min，切削深度ap=1.5～2mm。刀具選用W18CR4V高速鋼材質(zhì)，因相對于金屬工件變形較小，刀具采用剛體材料，不考慮刀具磨損及變形，其密度為7.85g/cm3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.33。圖2為鈦合金圓弧形槽工件加工過程，圖3為圓弧形槽工件。試驗(yàn)結(jié)束后，測量工件表面粗糙度和輪廓度。

選取Johnson-Cook(JC)本構(gòu)模型作為工件的材料模型，該模型是Von Mises塑性模型中的一種特殊形式，適用于金屬材料應(yīng)變率變化范圍大、塑性硬化和熱軟化等問題，可以反映切削過程中材料的流動應(yīng)力。具體材料參數(shù)見表3，Johnson-Cook材料模型的表達(dá)式為

(1)

表3 Ti6A14V鈦合金的本構(gòu)模型

4 工件表面粗糙度測量

采用SuperView W1光學(xué)3D表面輪廓儀測量圓弧形槽表面粗糙度，在工件加工表面(1200μm×1200μm區(qū)域)用高倍攝像頭進(jìn)行非接觸式掃描，利用3D 建模算法等對器件表面進(jìn)行非接觸式掃描，并建立表面3D圖像。通過系統(tǒng)軟件對器件表面3D圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，并獲取2D和3D參數(shù)(包括線粗糙度、面粗糙度及輪廓度等)。測量過程如圖4所示，圖5為鈦合金圓弧形槽加工3D面輪廓度，可以看到，最大波峰值是14μm，刀痕整齊，受力均勻[15-18]。

圖4 鈦合金圓弧形槽表面粗糙度檢測

圖5 鈦合金圓弧形槽面輪廓度

圖6 鈦合金圓弧形槽線粗糙度

圖6為加工后的工件線粗糙度曲線，其中，Ra為1.554μm，Rq為1.799μm，Rp為4.011μm。由此可得，切削試驗(yàn)達(dá)到的線粗糙度低于Ra1.6μm。圖7為加工后的表面粗糙度數(shù)據(jù)，其表面粗糙度為1.58μm。圖8為紋理均勻的加工表面。

圖7 鈦合金圓弧形槽面粗糙度

圖8 工件加工紋理均勻程度

5 結(jié)語

試驗(yàn)證明，通過優(yōu)化銑刀刀具參數(shù)，提高了加工工件表面質(zhì)量，通過設(shè)計(jì)的刀具加工鈦合金圓弧形槽可得到較小的表面線粗糙度和面粗糙度，加工紋理均勻，加工過程效率高，成本低，證明了此刀具的可行性。