TC4鈦合金大進給銑削參數優化試驗

□ 邊洪錄 □王子銘 □李 勛

1.中國空間技術研究院北京衛星制造廠有限公司 北京 1000942.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院 北京 100191

1 優化試驗背景

鈦合金以良好的綜合性能,被廣泛應用于現代化武器制造、航空航天、船舶制造、石油化工等領域[1-2]。現代主流三代戰斗機中，鈦合金使用量為20%左右,如法國幻影2000、俄羅斯蘇-27ck等[3]。更先進的四代戰斗機,如美國F22隱身戰斗機,鈦合金使用量達到45%[4]。鈦元素在地殼中含量豐富,鈦合金具有巨大的開發和利用前景[5]。

目前,鈦合金實際生產中所面臨的主要問題是刀具磨損嚴重。刀具過快磨損嚴重影響了機械零部件的加工質量和效率,大大提高了零部件的生產成本[1]。在加工過程中,不可避免會產生刀具的磨損現象,對鈦合金加工表面質量產生較為明顯的影響[6]。針對鈦合金的加工問題,眾多刀具生產廠家推出了成百上千種刀具。不同的機床條件、工件材料成分及熱處理狀態、切削液成分及冷卻方式、銑削切屑形成方式及加工溫度等都是影響鈦合金加工的重要因素[7],如何優選刀具和優化銑削參數，是一項十分復雜的工作[8]。近年來,大進給銑削作為一種高效的加工方式,在鈦合金粗加工中得到了越來越廣泛的應用。在較小的切削深度下,可以使用較大進給量進行銑削,進而提高刀具的加工效率[9-11]。

筆者針對TC4鈦合金材料進行大進給銑削加工試驗,結合加工過程中的材料去除率和刀具后刀面磨損量,優化大進給銑削參數,驗證大進給銑削加工方式在提高鈦合金材料加工效率方面的優勢,為推進大進給銑削在鈦合金材料高效加工方面的應用提供參考。

2 大進給銑削基本原理

銑削時,刀具的銑削層截面如圖1所示。刀具的切削寬度aw,即刀具切削刃參與銑削的長度為:

aw=ap/sinKr

(1)

式中:ap為切削深度;Kr為刀具主偏角。

刀具銑削過程中,當切削深度ap一定時,刀具主偏角Kr減小,刀具的切削寬度aw增大,即刀具銑削刃參與銑削的長度增大。

刀具的切削厚度ac與每齒進給量fz的關系為:

ac=fzsinKr

(2)

銑削加工時,刀具主偏角Kr減小,如果每齒進給量fz保持不變,那么根據式(2),刀具切削厚度ac將減小。

對于主偏角Kr不同的刀具,如果刀具的切削厚度ac相等,那么根據式(2)有:

▲圖1 刀具銑削層截面

fz1=fzsinKr/sinKr1

(3)

式中,fz1為不同刀具的每齒進給量;Kr1為不同刀具的主偏角。

刀具的主偏角Kr減小時,若要保證刀具的切削厚度ac相等,則根據式(3),需要增大刀具的每齒進給量fz。

刀具切削面積Ac為:

Ac=acaw=fzap

(4)

切削深度ap一定時,根據式(4)，刀具切削面積Ac隨每齒進給量fz的增大而增大,同時刀具的加工效率提高。

綜合上述分析,大進給銑削的切削原理是:減小刀具主偏角,使刀具的平均切削厚度減小;當刀具的切削厚度相同時,刀具主偏角越小,刀具進給量越大,刀具切削面積越大,加工效率越高。

3 銑削試驗條件

大進給銑刀銑削參數優化試驗選用Stellram大進給銑刀,如圖2所示。刀具直徑為32 mm,有三齒,刀桿牌號為7792VXD 09 WA032Z3R,刀片牌號為XDLT 09 0412ER-41 X500。

▲圖2 Stellram大進給銑刀

試驗工件為鈦合金TC4塊料,尺寸為150 mm×100 mm×80 mm，熱處理狀態為固溶時效。固溶處理溫度為910～940 ℃,持續1.5～2 h,進行水淬冷。時效處理的溫度為520～550 ℃,持續2～4 h,進行空冷。試驗機床為三坐標數控加工中心,銑削試驗現場如圖3所示。

▲圖3 銑削試驗現場

采用Dino-Lite數字顯微鏡,如圖4所示。將數字顯微鏡對準刀具后刀面的磨損帶進行拍照,用附帶的DinoCapture軟件對刀具后刀面磨損值進行測量,并以此為基礎分析刀具的磨損情況。

▲圖4 Dino-Lite數字顯微鏡

銑削試驗中,刀具的銑削方式為順銑,走刀路線為單向直線銑削。冷卻液為乳化液,冷卻方式為普通外冷卻。

4 試驗方案及結果

采用正交試驗法,基于大進給銑刀進行銑削參數優化試驗。采用L9(34)正交設計表,試驗采用切削速度v、每齒進給量fz、切削深度ap、切削寬度aw四個因素,各因素分別有三個水平,水平按等比數列遞增。取刀具磨鈍標準為后刀面磨損值0.25 mm。大進給銑削參數優化正交試驗水平見表1，試驗結果見表2，試驗分析見表3。

在銑削參數優化試驗中,對刀具各階段的后刀面磨損值進行采集,繪制所有九組試驗的刀具磨損曲線，如圖5所示。分析刀具的磨損曲線和銑削過程中刀具的磨損形式,評價刀具的銑削性能。

表1 試驗水平

表2 試驗結果

表3 試驗分析 min

▲圖5 刀具磨損曲線

按照選定的刀具磨鈍標準0.25 mm,確定銑削參數優化試驗中刀具的使用壽命,得到優化試驗結果。分析正交優化試驗結果,對銑削參數影響刀具耐用度的規律進行研究。

分析正交試驗因素指標,以各因素試驗結果平均值為縱坐標,以因素水平為橫坐標,繪制因素指標圖,如圖6所示。由圖6可知,切削速度和切削寬度對刀具耐用度的影響程度最大,取最高水平時,刀具耐用度明顯降低。當每齒進給量小于0.46 mm/Z時,對刀具耐用度的影響程度不大,但當每齒進給量大于0.46 mm/Z時,刀具耐用度開始明顯降低。切削深度對刀具耐用度并沒有明顯影響,選用銑削參數時應盡量選擇較大的切削深度。

▲圖6 正交試驗因素指標圖

通過對銑削參數優化正交試驗結果進行分析,得到銑削參數對大進給銑刀刀具耐用度的影響規律。在保證刀具擁有較高加工效率和較長使用壽命(長于12 min)的前提下,得到大進給銑刀的銑削參數優化試驗結果如下:切削速度為50 m/min,每齒進給量為0.5 mm/Z,切削寬度為15 mm,切削深度為1.2 mm,材料去除率為16 110 mm3/min。

采用上述優化的銑削參數,銑削加工11 000 mm3，對應12 min，刀具后刀面磨損情況如圖7所示。

▲圖7 刀具后刀面磨損情況

刀具后刀面出現了一定寬度的磨損帶，磨損值為0.2 mm。刀具切削刃在切深線處沒有出現崩刃,刀具處于正常磨損狀態?？梢?，刀具在銑削優化參數下表現出良好的切削性能，驗證了大進給銑削參數優化正交試驗結果的合理性。由此確認，大進給銑刀在切削速度50 m/min、每齒進給量0.5 mm/Z、切削寬度15 mm、切削深度1.2 mm時,具有良好的刀具耐用度和較高的材料去除率。

5 結束語

大進給銑削加工方式通過減小刀具的主偏角,使刀具的平均切削厚度減小,進而可以大幅提高進給速度和加工效率,實現TC4鈦合金的高效加工。

在試驗條件和參數范圍內,利用大進給銑削加工方式對TC4鈦合金進行銑削加工,切削速度對刀具耐用度的影響最大,切削寬度其次,然后是每齒進給量,切削深度對刀具耐用度的影響最小。

在實際銑削試驗中，大進給銑刀對TC4鈦合金進行銑削加工,在切削速度為50 m/min,每齒進給量為0.5 mm/Z,切削寬度為15 mm,切削深度為1.2 mm時,刀具具有良好的耐用度，得到較高的材料去除率。