TC4鈦合金銑削溫度正交試驗研究*

季　施　倪君輝　詹白勺　余偉平

(臺州學院,浙江 臺州 318000)

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TC4鈦合金銑削溫度正交試驗研究*

季施倪君輝詹白勺余偉平

(臺州學院,浙江 臺州 318000)

采用夾絲半人工熱電偶測溫方法，正交試驗研究了主軸轉速、走刀速度、銑削寬度等加工參數對TC4鈦合金銑削溫度的影響規律，為鈦合金銑削溫度的研究和優化提供參考依據。

鈦合金；銑削溫度；正交試驗

鈦合金具有比強度高、耐蝕性和耐熱性好等特點，廣泛應用于航空航天、船舶制造、生物醫藥等領域，在國民經濟工業生產中發揮著重要的作用。同時，由于鈦合金化學性較強，導熱性較差等原因，銑削加工時溫度較高，不僅直接影響工件的表面質量和加工精度，還影響著刀具的磨損和使用壽命。因此，了解鈦合金銑削溫度分布及其變化規律，對于鈦合金切削加工質量的提高、刀具的設計與制造、及切削加工參數的選擇等都有重要的意義。

正交試驗是利用正交表合理安排試驗，以盡可能少的試驗次數確定各因素對試驗指標的影響規律[1]。通過正交試驗可綜合研究銑削參數變化對鈦合金銑削溫度的影響規律，依次找出各個因素對鈦合金銑削溫度影響的主次順序，優化切削用量參數組合，從而優化工件的加工質量和加工精度。

1　銑削溫度測量方法

1.1夾絲熱電偶測溫方法

目前，切削溫度的測量方法較多，常用的有自然熱電偶法[2-3]、夾絲半人工熱電偶法[4-5]及紅外熱像儀法[6-7]等。這些方法各有優缺點，其中夾絲半人工熱電偶法是一種通過在工件中植入熱電偶絲來測量切削溫度的方法，具有操作簡單，便于實現，費用低廉，測量精度高等優點。鑒于此，采用夾絲半人工熱電偶法來測量鈦合金加工時的銑削溫度。

如圖1所示為銑削加工時夾絲熱電偶測溫裝置示意圖。直徑為0.1 mm的康銅絲水平放置在兩鈦合金工件的中間，并用夾具夾緊。用絕緣膠布保證康銅絲、工件和夾具三者之間互相絕緣。當銑刀銑削經過康銅絲時，康銅絲和工件之間的絕緣層被破壞，形成一個瞬時熱接點，構成熱電偶的熱端。而與鈦合金工件焊接在一起的康銅絲的另外一端，由于距離銑削區域較遠，溫度幾乎不發生變化，構成熱電偶的冷端。這樣就由工件和康銅絲構成了一個熱電偶，對其進行標定后，就可以通過獲得熱端和冷端之間的熱電勢進而測出當時的銑削溫度。

1.2熱電偶的標定

由于TC4鈦合金-康銅不是標準熱電偶，須對其熱電特性進行標定，得到該熱電偶的熱電勢與溫度之間的對應關系。本文采用直接法進行該熱電偶標定(如圖2所示)。

其具體標定過程如下：通過焊臺把TC4鈦合金絲和康銅絲的兩端焊接在一起，一端作為熱電偶的熱端置于箱式電阻爐中進行恒溫加熱，另一端作為熱電偶的冷端置于盛有水的燒杯中(代表室溫)。然后通過改變箱式電阻爐的溫度，測得不同溫度下康銅絲兩端的電動勢，得到TC4鈦合金-康銅熱電偶的熱電特性。在冷端室溫為20℃，熱端溫度分別為100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃條件下，TC4鈦合金-康銅熱電偶標定曲線如圖3所示。

2　試驗條件與方案

2.1試驗條件

工件材料：TC4鈦合金，該合金的名義成分為Ti-6Al-4V，熱處理狀態為退火。

機床：日本Brother公司生產的TC-S2CZ立式加工中心，最高轉速16 000 r/min，坐標軸行程為500/400/300 mm。

刀具：瑞士MIKK公司直徑為8 mm的高速高硬鎢鋼涂層立銑刀，該銑刀的刃數為4，刃長為20 mm，全長為60 mm。

2.2試驗因素和水平的確定

銑削加工時，影響銑削溫度的切削參數主要有主軸轉速、走刀速度、銑削寬度及銑削深度等因素。由于銑削深度ap對切削溫度的影響較小，由此選取主軸轉速n、走刀速度f、銑削寬度ae三個參數為試驗因素，采用正交表L9(33)(三因素三水平)設計銑削實驗。試驗采用順銑，銑削深度ap=2 mm。試驗因素與水平如表1所示。

表1　試驗因素水平表

3　試驗結果與討論

為減少測量誤差，每組試驗都重復做3次，以3次測量的平均值作為該次加工后銑削溫度的測量值。銑削溫度的測量結果如表2所示。

表2　銑削溫度測量結果

對表2中的實驗結果采用極差分析來研究3個因素對銑削溫度的影響程度。表中k1、k2、k3分別代表3個試驗因素在不同水平下測量的銑削溫度平均值。R表示各因素在不同水平下的最大極差。極差值越大，表示該因素水平的變化對實驗數值的影響越大。由表中可得，Rn>Rf>Ra，則上述TC4鈦合金銑削溫度各切削參數對銑削溫度影響程度依次為：主軸轉速>走刀速度>銑削寬度。

為了更直觀體現各因素對銑削溫度的影響，根據實驗數據得出銑削溫度和各因素的趨勢圖，如果4所示。

3.1主軸轉速對銑削溫度的影響

從圖4a中可得在主軸轉速2 000～3 000 r/min范圍內，銑削溫度隨主軸轉速增加顯著提高。由于主軸轉速對銑削溫度的影響最為顯著，為進一步探討主軸轉速對銑削溫度的影響，選擇不同的主軸轉速做銑削實驗。實驗中選用走刀速度f= 500 mm/min，銑削寬度ae=4 mm，銑削深度ap=2 mm。測得銑削溫度在不同主軸轉速下的變化關系如圖5所示。從圖中可得，在主軸轉速超過3 000 r/min后，銑削溫度上升的趨勢變緩。產生這一現象的原因在于，隨著主軸轉速的增加，更多的熱量被切屑帶走，相應的傳入刀具和工件的熱量比例減小，導致刀具和工件的溫度上升趨緩[8]。

3.2走刀速度對銑削溫度的影響

從圖4b中可得，隨著走刀速度的增加，銑削溫度隨之上升，但是上升幅度不如主軸轉速對銑削溫度的影響明顯。這主要是由于隨著走刀速度的增大，切屑變形系數減小，切削加工所消耗的功率下降，而且刀具和切屑的接觸長度增加，切屑也帶走更多的熱量，導致每齒進給量對溫度變化的影響不明顯。

3.3銑削寬度對銑削溫度的影響

從圖4c中可得，銑削寬度對銑削溫度的影響同走刀速度的作用類似，銑削溫度隨銑削寬度的增大而上升，但上升幅度不大。

4　結語

基于夾絲半人工熱電偶測溫方法，正交試驗研究了主軸轉速、走刀速度、銑削寬度等加工參數對TC4鈦合金銑削溫度的影響規律。試驗研究表明：

(1)TC4鈦合金銑削加工時，各切削參數對銑削溫度影響程度依次為：主軸轉速>走刀速度>銑削寬度。

(2)在較低速度范圍內(<3 000 r/min)，主軸轉速對銑削溫度的影響較大，銑削溫度隨主軸轉速增加而顯著上升；而在較高轉速范圍內(>3 000 r/min)，主軸轉速對銑削溫度影響不明顯。

(3)走刀速度和銑削寬度對銑削溫度的影響不明顯，銑削溫度隨走刀速度和銑削寬度的增加而上升，但上升趨勢較平緩。

[1]胡知音, 孟廣耀,夏海濤. 基于正交試驗法的GH4169高速銑削表面粗糙度研究. 制造技術與機床, 2011(1): 44-46.

[2]韓滿林, 李一民,趙威. 高速切削Ti6Al4V 鈦合金時切削溫度的試驗研究. 工具技術, 2008, 42(6): 10-13.

[3]段春爭, 李園園, 李國,等. 高速切削溫度場測量技術研究現狀. 機械設計與制造, 2008(4): 212-214.

[4]葛英飛, 邊衛亮, 傅玉燦, 等. PCD 刀具高速銑削SiCp/Al 復合材料切削溫度試驗研究. 工具技術, 2011, 45(8): 31-35.

[5]耿國盛, 徐九華, 傅玉燦, 等. 高速銑削近α鈦合金的切削溫度研究. 機械科學與技術, 2006, 25(3): 229-332.

[6]樂啟清, 潘曉軍,熊銀花. 紅外熱成像技術檢測金屬切削過程溫度場分布. 裝備制造技術, 2013(8): 120-121.

[7]Yang Kai, Liang Ying-chun, Zhen Kang-ning, et al. Tool edge radius effect on cutting temperature in micro-end-milling process. Int J Adv Manuf Technol, 2011, 52: 905-912.

[8]艾興. 高速切削加工技術. 北京: 國防工業出版社, 2004.

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Research on milling cutting temperature of TC4 titanium alloy based on orthogonal test method

JI Shi, NI Junhui, ZHAN Baishao, YU Weiping

(Taizhou University, Taizhou 318000, CHN)

The constantan-workpiece thermal couple method was adopted to measure the milling temperature. The relationship between the milling temperature and milling parameters, including the spindle speed, feed rate, milling width, was then experimentally investigated using orthogonal test method, providing the reference basis for titanium alloy milling temperature research and optimization.

titanium alloy; milling temperature; orthogonal test

TG506

A

(編輯譚弘穎)(2015-10-08)

160223

*浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃(2013R428024);浙江省工量刃具檢測與深加工技術研究重點實驗室基金項目(ZD201302，ZD201303)