切削方式對硬質合金刀具軸向車銑鈦合金試驗分析

石莉，王書利，張瑩，姜增輝

(1.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽，110159；2.內蒙古北方重工業集團有限公司，內蒙古包頭，014030)

0 引言

車銑技術是一種先進高效的金屬切削方法，依據工件旋轉軸線與刀具旋轉軸線相對位置的不同，可分為軸向車銑、正交車銑以及一般車銑。依據工件和刀具旋轉相對方向的不同，又可分為順銑和逆銑。軸向車銑可以進行外圓和內孔的加工，如果配備特殊的工藝裝備，可以加工軸向行程較長的外圓表面及較深的內孔表面，為其提供一種新的加工途徑。

姜增輝教授在《車銑技術》中通過研究外圓表面運動軌跡指出，對于外圓表面要求形狀誤差較嚴格的工件和要求較高金屬切除率時，應采用逆銑；從切削平穩和刀具盡可能免受過強沖擊載荷角度分析，應盡量避免采用軸向順銑[1]。但這僅是理論上的仿真研究，實際生產加工要受到加工方法、刀具材料、刀具角度及工件材料等眾多因素的影響。姜增輝、王文凱等對高速軸向車銑 TC4 內孔的硬質合金刀具磨損特性進行研究，研究了切削速度為200m/min時軸向車銑內孔時刀具的磨損特性及原因，并得出軸向車技加工內孔時順銑加工優于逆銑加工[2]，但關于切削方式對軸向車銑加工鈦合金內外表面的綜合性研究的文獻并不多。

鈦合金是一種難加工材料，嚴重的黏結磨損一直制約著鈦合金的高效加工。本文在不同銑削方式下對硬質合金刀具軸向車銑鈦合金進行切削試驗，探究兩種切削方式下刀具的切削性能及其對鈦合金表面質量的影響情況，對鈦合金的軸向車銑加工提供一定的參考。

1 試驗條件

1.1 工件材料

工件材料選用 TC4 鈦合金厚壁管，外圓直徑140mm，內孔直徑 50mm，工件長度300mm。

1.2 主要試驗設備

試驗機床 : MAZAK200Y 臥式車銑加工中心如山特維克可樂滿立銑刀。刀桿型號為R390-025A25-11L，刀片 型號為 R390-11T308M-KL，牌號為 S30T圖 1。

圖1 車銑加工機床和刀具

1.3 試驗參數

干式軸向車銑外圓和內孔，切削參數：切削深度5mm，軸向進給量0.4mm，每齒進給量0.1mm/z,切削速度：150m/min和200m/m；銑削方式：順銑和逆銑。

2 結果與分析

2.1 軸向車銑外圓和內孔磨損形態對比分析

圖2為軸向車銑TC4鈦合金外圓時在順銑和逆銑兩種切削條件下S30T刀具后刀面磨損量即將達到或已經達到磨鈍標準時刀具磨損形貌圖，圖2a）和b）軸向順銑時，刀具前刀面和后刀面磨損主要以粘結磨損為主，刀具前后刀面，特別是刀尖圓弧附近都有不同程度的切屑粘結，副切削刃附近有一定程度的涂層的撕裂。圖2 c)和d）為軸向逆銑時，刀具前后刀面的磨損圖，可以看出切屑粘結比較嚴重，而且是大量切屑的粘結，嚴重影響正常的切削過程，工件表面質量差，刀具快速磨損。

圖2 軸向車銑外圓刀具磨損形貌

圖3為軸向車銑TC4鈦合金內孔時在順銑和逆銑兩種切削條件下S30T刀具后刀面磨損量即將達到或已經達到磨鈍標準時刀具磨損形貌圖，圖圖3a）和b）軸向順銑時，刀具前刀面和后刀面磨損主要以粘結磨損為主，前刀面特別是刀尖圓弧出現塌陷凹坑，后刀面出現不同程度粘結坑，刀具材料被粘結切屑帶走。圖3 c)和d）為軸向逆銑時，刀具前后刀面的磨損圖，可以看出切屑粘結比順銑加工嚴重，切屑粘結的程度加重。

圖3 軸向車銑內孔刀具磨損形貌

2.2 軸向車銑外圓和內孔刀具磨損曲線及表面質量對比分析

圖4為兩種切削速度時兩種切削方式下S30T刀具磨損曲線圖。由圖可知,無論是外圓加工還是內孔加工，順銑模式下刀具的壽命較長，逆銑模式刀具壽命較短。當切削速度為150m/min時，由圖4（a)可知逆銑外圓時刀具壽命最短。圖5為逆銑軸向車銑時刀具與工件運動位置關系圖，逆銑加工時刀具主運動方向與工件進給運動方向相反，實現由里向外切削，再加上正的刃傾角使刀尖圓弧附近的切削刃首先參與切削，逆銑時切削厚度由小變大，刀具與工件之間的擠壓與摩擦較大，刀具切出時切削厚度最大，再加上鈦合金好的韌性和表面活性，在切削溫度比較高的切削區域，剛剝離工件的切屑在較大摩擦和擠壓作用下，極易粘接在前刀面上，有圖2b)刀具磨損圖片可以得到證實。大量的切屑粘接在前刀面進一步削弱刀具的切削性能，同時粘結的切屑又參與到后續的切削過程，進一步擠壓和撕裂，甚至粘結在工件上，使表面質量惡化，切削速度越高，此類現象越嚴重，圖6為v=200mm/min時加工后的工件表面，顯然在刀具、切屑和已加工表面之間發生了明顯的粘屑和撕屑現象。在軸向車銑鈦合金外圓過程中切削速度不應太高或盡量避免采用逆銑的加工方式。逆銑軸向車銑內孔時受刀具和工件相對位置的改變，使切削條件有所改善，表面質量較逆銑外圓好，但如果不及時處理切屑，切屑易會粘接在已加工內孔表面，使內孔表面質量變差。順銑加工外圓和內孔時表面質量較好，沒有出現切屑被撕裂并粘結在已加工表面上的現象。

圖4 為兩種切削速度時兩種切削方式下S30T刀具磨損曲線圖。

圖5 逆銑外圓刀具運動位置關系圖

圖6 逆銑外圓已加工表面

3 結語

本文通過試驗研究了硬質合金S30T刀具軸向車銑時在兩種不同切削方式下刀具的磨損形態、刀具磨損曲線及表面質量特征，得出以下結論：

軸向車銑外圓或內孔，同等條件下順銑時刀具壽命較逆銑時刀具壽命長。

軸向車銑外圓或內孔，同等條件下順銑時表面質量較逆銑時表面質量好。

軸向車銑鈦合金時，優先選用順銑加工方式。

軸向車銑時應使刀具和工件處于利于排屑的相對位置。