鈦合金銑削刀具后刀面磨損預(yù)測(cè)及應(yīng)力分析

（新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，智能制造學(xué)院，河南新鄉(xiāng)市，453000） 楊 光

鈦合金作為一種具備優(yōu)異綜合性能的合金材料，目前已在精密部件、航空航天器材、輕型交通、耐腐蝕機(jī)械零件等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但受鈦合金自身材料特性的影響，其導(dǎo)熱率較小，對(duì)其進(jìn)行切削加工時(shí)無法快速傳遞刀具切削工件期間形成的熱量，這使得刀具中積累了大量的熱量而引起組織軟化，造成明顯的磨損破壞現(xiàn)象。鈦合金還具備很強(qiáng)化學(xué)活性，對(duì)其進(jìn)行切削加工時(shí)會(huì)引起工件材料和刀具之間發(fā)生粘附情況，引起崩刃以及刀具的提前失效問題[1]。金屬切削呈現(xiàn)非線性變化特點(diǎn)，處于高溫高壓環(huán)境中時(shí)較易引起刀具的表面磨損。并且刀具磨損還受到多種磨損機(jī)制的相互作用，表現(xiàn)為磨粒磨損、擴(kuò)散磨損、粘結(jié)損、組織變形等多種形式[2-4]。

本文選擇切削加工期間的力熱耦合程度作為判斷依據(jù)，采用該方法進(jìn)行建模時(shí)處理過程較簡(jiǎn)便，能夠?qū)崿F(xiàn)快速計(jì)算與高可靠度，能夠?qū)θ我庵虚g變量實(shí)時(shí)顯示，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)銑削的刀具壽命。

1 刀具磨損預(yù)測(cè)模型建立

受鈦合金自身材料特性的影響，其導(dǎo)熱率較小，對(duì)其進(jìn)行切削加工時(shí)無法快速傳遞刀具切削工件期間形成的熱量，這使得刀具中積累了大量的熱量而引起組織軟化，造成明顯的磨損破壞現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損狀態(tài)預(yù)測(cè)，已有許多學(xué)者針對(duì)磨損量的定量分析開展了深入探討，同時(shí)根據(jù)磨損機(jī)制構(gòu)建了計(jì)算式。HUANG[7]構(gòu)建了磨粒磨損、擴(kuò)散磨損與黏接磨損作用下的磨損率表達(dá)式：

隨著溫度的上升，形成了顯著擴(kuò)散磨損的現(xiàn)象，因此預(yù)測(cè)磨損帶的時(shí)候，可以把磨損率表示成包含溫度參數(shù)的分段函數(shù)。

HUANG[7]針對(duì)切削過程建立了下述的磨粒磨損率表達(dá)式：

式中，Kabr表示磨粒磨損系數(shù)；Pa是磨粒硬度；Pt表示刀具材料的硬度；K、n都是包含Pa的函數(shù)；Vc是滑動(dòng)速率相對(duì)值；w 表示切削的寬度；VB 表示后刀面上形成的磨損帶長(zhǎng)度；σ表示后刀面正應(yīng)力均值。表達(dá)式如下：

式中，T表示攝氏溫度，黏接磨損系數(shù)Aw與Bw分別為7.91×10-9與2.53×103，Kdif、KQ依次為2.63×10-3與6.84×103。

2 預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)分析了各個(gè)加工條件下，采用鈦合金后刀面銑削磨損參數(shù)。采用合金刀具對(duì)鈦合金進(jìn)行銑削處理時(shí)，將會(huì)形成銑削力與銑削熱的耦合作用，非常容易造成刀具后刀面的磨損問題，設(shè)定刀桿長(zhǎng)度與直徑分別為120mm 與20mm，刀片則選擇三菱結(jié)構(gòu)APGT1135PDFR-G2 硬質(zhì)合金進(jìn)行制備得到。設(shè)置兩種工藝條件作為銑削刀具的后刀面磨損測(cè)試參數(shù)，具體銑削加工參數(shù)見表1。

表1 銑削加工參數(shù)

以顯微鏡觀察刀面磨損形貌，以VHX-300 型光學(xué)顯微鏡對(duì)后刀面的磨損測(cè)試，以3 次測(cè)試所得的均值作為磨損帶的長(zhǎng)度。在實(shí)際加工期間，按照固定間隔時(shí)間將銑削刀片的磨損帶長(zhǎng)度進(jìn)行記錄后再替換為新刀片，由此避免測(cè)試期間引起偶然偏差的問題，根據(jù)以上測(cè)試方式得到切削力與磨損參數(shù)。

3 后刀面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

進(jìn)行低速銑削期間，受到?jīng)_擊作用并造成工件材料的硬化，導(dǎo)致塑性流動(dòng)區(qū)形成較大的應(yīng)力，逐漸增大切削速率時(shí)，形成了更高的切削溫度，導(dǎo)致材料出現(xiàn)明顯熱軟化，塑性流動(dòng)區(qū)的應(yīng)力則發(fā)生了顯著減小，最終形成圖1中的銑削力變化曲線。

圖1 切削力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比圖

如圖1 所示，逐漸提高后刀面磨損帶長(zhǎng)度后，x與y方向都發(fā)生了切削力的持續(xù)上升。通過計(jì)算磨損帶切削力測(cè)試結(jié)果可知，F(xiàn)x方向的切削力均值相對(duì)誤差最大出現(xiàn)于磨損帶長(zhǎng)度78.2μm 的條件下，達(dá)到6.42%；沿Fy方向形成的切削力相對(duì)誤差則是在磨損帶長(zhǎng)119.2μm的條件達(dá)到最大為2.35%。經(jīng)對(duì)比可知，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算得到的切削力相符，此時(shí)后刀面的磨損帶測(cè)試結(jié)果也產(chǎn)生了較大的誤差。從整體數(shù)據(jù)對(duì)比上分析可知形成了與數(shù)值相近的趨勢(shì)，由此判斷按照以上方法進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)可以準(zhǔn)確反饋加工階段后刀面應(yīng)力分布特征。以本文預(yù)測(cè)方法可以獲得較高準(zhǔn)確率并達(dá)到理想的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

提高后刀面磨損帶長(zhǎng)度后，切削力持續(xù)上升，F(xiàn)x 切削力均值相對(duì)誤差最大出現(xiàn)于磨損帶長(zhǎng)度78.2μm 下，達(dá)到6.42%；Fy 切削力相對(duì)誤差在磨損帶長(zhǎng)119.2μm達(dá)到最大為2.35%。以本文預(yù)測(cè)方法可以獲得較高準(zhǔn)確率并達(dá)到理想的穩(wěn)定性。