利用變切深法提高銑刀耐用度的實驗研究

袁野，楊后川，崔季

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

0 前言

超高強度鋼Aer Met100是美國Car Peter技術公司研制的一種與300M鋼同等強度、韌性更好、抗應力腐蝕開裂能力更強的一種綜合性能優良的結構材料［1］。鈦合金TB6（美國牌號Ti-10V-2Fe-3Al）是多金元素高強度鈦合金，具有比強度高、斷裂韌度好、各向異性小、抗應力腐蝕能力強等一系列優點［2］。超高強度鋼和鈦合金由于其優良的綜合力學性能，近年來被廣泛應用于航空關鍵結構部件，起到了減輕武器裝備質量、降低能耗等作用。但是，這兩種材料的切削加工性能較差，切削力大、切削溫度高、斷屑困難、刀具磨損嚴重等，尤其是刀具前、后刀面極易在已加工表面附近發生嚴重的邊界溝槽磨損，溝槽的擴展速度很快，刀具切削部分磨損還較小時，其邊界溝槽磨損已達到磨鈍標準，易導致刀具崩刃失效，壽命縮短。

本文對上述兩種材料進行銑削實驗，對比固定切削深度（固定切深）銑削加工和改變切削深度（變切深）銑削加工方式的刀具磨損情況，分析了溝槽磨損與固定切深和均勻磨損與變切深之間的關系。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗試件Aer Met100鋼的主要質量分數如表1所示，其力學性能如表2所示。TB6鈦合金的質量分數如表3所示，屬β相固熔體組成的單相合金，其力學性能如表4所示。

表1Aer Met100鋼主要質量分數 （%）

表2 室溫下Aer Met100鋼的力學性能

表3TB6鈦合金質量分數 （%）

表4 室溫下TB6鈦合金的力學性能

1.2 實驗條件

切削實驗在立式數控加工中心上進行。Aer Met100鋼的實驗刀具為可轉位圓刀片，刀具直徑為63 mm，刀片材質為涂層硬質合金，牌號為VP15TF;TB6鈦合金的實驗刀具為可轉位方肩銑刀片，刀具直徑為50 mm，刀片材質為涂層硬質合金，牌號為S40T;銑削方式為單齒順銑;刀具磨鈍標準VB=0.3 mm。

1.3 實驗方案

表5 Aer Met100鋼試驗參數

表6 TB6鈦合金試驗參數

說明:變切深實驗中的每層切深循環進行，直至達到磨鈍標準;固定切深是按同一切深循環進行，直至達到磨鈍標準。

2 實驗結果與分析

2.1 刀具磨損與破損形態

2.2 刀具磨損曲線

圖3（a）為試驗條件下VP15TF涂層刀片銑削Aer Met100鋼時后刀面磨損量VB與切削時間T的曲線圖。VB達到0.3 mm時，固定切深的刀具耐用度為41 min，變切深時為62 min。圖3（b）為試驗條件下S40T涂層刀片銑削TB6鈦合金時后刀面磨損量VB與切削時間T的曲線圖。固定切深的刀具耐用度為27 min，變切深時為43 min。采用變切深法銑削Aer Met100鋼和TB6鈦合金，可提高刀具耐用度50%以上。

2.3 后刀面磨損分析

a）后刀面邊界溝槽磨損

圖1（a）和圖2（a）是固定切深方式銑削超高強度鋼Aer Met100和鈦合金TB6時的刀具磨損照片，刀具后刀面在已加工表面附近發生了嚴重的邊界溝槽磨損。這是由于刀具與工件接觸面切削溫度高，刀具與工件非接觸面溫度低，在刀具表面存在很高的溫度梯度，切削部分表面因反復熱脹冷縮，產生巨大的交變熱應力，從而使刀片刃口處易產生疲勞開裂。工件材料屈服強度和極限抗拉強均較大，同時受加工表面硬化影響，工件已加工表面的硬度值將高于材料內部，在周期性的強沖擊力作用下，形成了嚴重的邊界溝槽磨損，甚至出現貝殼狀剝落。此外，空氣中的氧更易進入該部位切削區，因而粘結磨損、擴散磨損和氧化磨損最為嚴重，也加劇了邊界溝槽的產生［3-6］。

b）后刀面均勻磨損

圖1（b）和圖2（b）是變切深方式銑削超高強度鋼Aer Met100和鈦合金TB6的刀具磨損照片，只是在刀具后刀面形成了很多微小的缺口，并沒有產生大的溝槽型缺口。變切深銑削方式避免了刀具上同一點受到過多的沖擊損傷，而是充分利用了整個刀刃，實現了刀具的均勻磨損。

3 結論

1）涂層硬質合金刀具銑削Aer Met100鋼和TB6鈦合金時，變切深銑削比固定切深銑削可提高刀具耐用度50%以上。2）固定切深銑削刀具受機械沖擊和交變熱應力沖擊易出現邊界溝槽磨損，嚴重時出現貝殼狀崩落;變切深銑削充分利用了刀具整個刀刃，避免了刀刃同一點受到過多的沖擊損傷，實現了刀具后刀面均勻磨損。在一般難加工材料銑削加工中，采用變切深銑削可避免嚴重的邊界溝槽磨損，有利于提高刀具耐用度，具有很大的優越性。

［1］汪向榮，閆牧夫.Aer Met100二次硬化過程組織和性能的研究［J］.熱處理技術與裝備，2007，28（5）:28-30.

［2］傅勇，宗明輝，劉應薌.TA15、TB6鈦合金切削加工用量和刀具的選擇［J］.航空制造技術，2006，（7）:59-61.

［3］李廣旭，劉強，李劉合.納米TiAlN涂層硬質合金刀具高速銑削Aer Met100鋼的磨損機理［J］.摩擦學學報，2010，（2）150-156.

［4］徐少紅.高強度鋼和超高強度鋼的切削加工［J］.裝備制造技術，2007，（2）:72-73.

［5］陳五一，袁躍峰.鈦合金切削加工技術研究進展［J］.航空制造技術，2010，（15）:26-30.

［6］張幼楨.金屬切削原理及刀具［M］.北京:國防工業出版社，1990.