基于最佳銑削溫度的Ti40阻燃鈦合金銑削工藝優化＊

呂東升 王保升

（南京工程學院智能裝備產業技術研究院，江蘇 南京 211167）

切削工藝優化是現代機械加工行業廣泛關注的問題，因為生產效率、加工成本、加工精度和自動化生產條件下，設備工作的可靠性、刀具消耗、表面質量和零件的使用性能等均取決于切削工藝的合理選擇。目前，切削工藝優化主要基于泰勒公式、T-V駝峰曲線及人工神經網絡等方法和手段。但是，泰勒公式僅在1個相對窄的范圍內近似有效，在更廣的范圍內具有很大的局限性；不僅如此，在同一試驗條件下，選取不同的切削用量范圍進行切削試驗，得出的泰勒公式指數也不同，甚至在切削速度較低的區間，泰勒公式與試驗結果也表現出了截然不同的趨勢。因此，對于切削難加工材料泰勒公式的使用具有局限性[1]。T-V駝峰曲線在較寬的切削速度范圍內，對某些材料適用，對某些材料并不適合，因此，也有著它的適用范圍[1]。人工神經網絡方法、遺傳算法和粒子群算法等方法需要大量的試驗結果作為數據模型訓練的基礎，才會提高準確程度；另外，這些方法所推薦的切削用量通常只針對一些具體條件（如工件材料、刀具材料、刀具幾何結構參數和冷卻潤滑條件等），并在這些條件下做過刀具耐用度試驗才認為合理[2-5]。總的來說，上述方法主要是依據試驗結果獲得的數據，再利用統計分析而總結出的加工規律，并沒有從根本上把握住切削過程的切削力、切削熱或刀具磨損等核心內容，因而上述方法在指導切削加工過程的參數選擇方面具有局限性。

為了避免上述切削參數優化方法的缺陷，前蘇聯的馬卡洛夫提出了基于最佳切削溫度的切削參數優化方法[6]，它可以表述為：影響刀具磨損的主要因素（包括接觸硬度、擴散和粘結、氧化過程和工具接觸層的塑性流動等）均是接觸表面溫度的函數，因此，切削速度、進給量和切削深度不同組合下的最佳切削用量總是對應著切削區域的恒定溫度，即最佳切削溫度。對一種材料而言，其對應的最佳切削溫度通常是恒定的，每一種刀具和工件材料都有其與刀具耐用度最大值相對應的溫度。最佳切削溫度下工作時，刀具磨損小（刀具耐用度高），切削路程長（材料去除量大），使得加工綜合效益高。因此，最佳切削溫度理論就為切削工藝的優化提供了理論支持。

Ti40阻燃鈦合金（名義成分為Ti-25V-15Cr-0.25Si）是一種高穩定β鈦合金，屬于典型的難加工材料。根據前期[7-12]的研究結果可知，其在低溫噴霧射流冷卻銑削過程中存在較佳的銑削速度為80 m/min。在該速度下，刀具銑削耐用度比在30、60、100 m/min的銑削速度下的刀具耐用度高，材料去除量也更多。同時，依據前蘇聯馬克洛夫[6]的研究結果可知，任何一對刀具-工件都存在1個最佳的切削溫度，而且此切削溫度與冷卻條件等關系不大。在此溫度下，刀具切削路程最長，相對磨損最小，加工過程與結果更穩定。基于此思想，從最佳銑削溫度的角度開展了Ti40阻燃鈦合金精加工側銑的工藝參數優化。

1 Ti40銑削溫度經驗公式的建立

探索銑削過程中銑削溫度與切削用量之間的關系。考慮到軸向切深對銑削溫度的影響不大，采用正交試驗對銑削速度v，徑向切寬ae，每齒進給量fz對銑削溫度的影響進行了研究，選用了正交試驗表L16(43) ，正交試驗因素及水平見表1。

表1 正交試驗因素水平表

實驗在XS5040立式銑床上進行。選用機夾式Ti(C,N)-Al2O3復合涂層硬質合金刀片（SECO公司生產），型號：XOEX120431R-M07。刀具前角20°，后角14°，刀尖圓弧半徑3.1 mm，刀桿直徑25 mm。所有試驗采用單齒、順銑，采用三維視頻顯微鏡（型號KH7700）測量刀具磨損。采用夾絲半人工熱電偶法測量銑削溫度，使用多功能數據采集卡（型號NI USB-6211）采集溫度信號。冷卻方式選擇優化參數后的低溫噴霧射流冷卻，銑削溫度測量結果見表2。試驗現場照片如圖1所示。

圖1 試驗現場照片

表2 銑削溫度正交試驗設計及結果

設銑削溫度經驗公式[1]為

式中：CY為常數；a、b、c為代表各參數的影響程度的指數。對上式兩邊取對數，則可得

令Y′=lnY，C=lnCY，x1=lnv，x2=lnae，x3=lnfz，可得

依據正交試驗獲得的銑削溫度，使用相關軟件對銑削溫度結果進行回歸分析，求得式（3）中的系數和常數，可以求得經驗公式為

從經驗公式可以看出，銑削用量中各參數對銑削溫度的影響程度大小，即切削速度對切削溫度的影響最顯著，其次為切削寬度，再次是每齒進給量。

2 Ti40阻燃鈦合金最佳銑削溫度的確定及銑削用量的優化

采取如下方法來確定最佳銑削溫度值：在同樣的銑削長度下，計算后刀面平均磨損VB；后刀面磨損值VB最小所對應的切削溫度作為最佳銑削溫度[6,13]。本試驗中，取100 mm作為銑刀的切削長度，以后刀面磨損VB為指標，確定后刀面磨損VB值最小時對應的銑削速度v，將此銑削速度取為最佳銑削速度，測量該速度下對應的熱電勢值，其對應的銑削溫度即為最佳銑削溫度。試驗刀具選用前文優選的復合涂層刀具，固定每齒進給量fz=0.08 mm/z，徑向切寬ae=1 mm，軸向切深ap=3 mm，銑削速度v=20～100 m/min。冷卻方式采用優化后的低溫噴霧射流參數冷卻。

后刀面磨損VB值與銑削速度、銑削速度與銑削溫度的關系分別如圖2和圖3所示。由圖2可以看出：當v=70 m/min時VB值最小，將v=70 m/min定為切削Ti40阻燃鈦合金時的最佳銑削速度，采用半人工熱電偶法測量熱電勢值并計算得到此時的銑削溫度θ=437 ℃。

圖2 銑削速度對刀具磨損的影響

試驗結果表明，在銑削溫度為437 ℃時所用硬質合金刀具銑削Ti40阻燃鈦合金的相對磨損最小，這是由于當銑削溫度較低時，刀具以磨粒磨損為主，然而隨銑削溫度升高，粘結磨損和疲勞磨損明顯增加并逐漸達到最大程度。此時，硬質合金刀具磨損率出現1個極大值。隨著銑削溫度的繼續升高，硬質合金刀具強度下降變緩，而Ti40阻燃鈦合金強度下降較快[14]，二者強度比逐漸增大并達到1個最大值，如圖4所示。在此情況下，刀具氧化磨損和擴散磨損尚未明顯發生，疲勞磨損降至很低，銑削過程中刀具磨損處于磨損率最小的狀態，銑削路程最長[1]，此時的銑削速度就是最佳銑削速度，相對應的銑削溫度就是最佳銑削溫度。

根據式（4），最佳銑削溫度下切削用量經驗公式表示如下。

即

取ae為固定值1 mm時，則變為

根據式（7），可以得到不同每齒進給量下的最佳銑削速度，見表3。采用此硬質合金刀具銑削工件材料，當每齒進給量為0.03 mm/z、0.05 mm/z、0.08 mm/z和0.1 mm/z時，其對應的最佳銑削速度分別是85 m/min、76 m/min、70 m/min和67 m/min。

表3 最佳銑削溫度時的切削用量表

采用表3所列的切削用量進行試驗驗證，在切削長度為400 mm，不同進給量時的切削速度和后刀面磨損值及其對應的銑削溫度如圖5和圖6所示。銑削Ti40阻燃鈦合金工件材料時，不同進給量的后刀面磨損VB最小值所對應的銑削溫度值均在437 ℃左右。也就是說，經切削試驗驗證，優化出的銑削用量與刀具磨損結果是一致的，表明采用最佳銑削溫度優化切削用量的方法是可靠的，這為切削用量優化提供了一種重要方法。應當注意的是，本文中的最佳銑削溫度是以最長銑削路程為目標的，對于其他不同目標要求，最優銑削溫度是不同的，如若以要求殘余應力較小，或者要求得到殘余壓應力時，則應該選用低于最長銑削路程的銑削溫度（銑削速度）。

圖5 最佳銑削溫度與銑削速度關系

圖6 銑削速度、每齒進給量與后刀面磨損

3 優化工藝條件下Ti40阻燃鈦合金精加工側銑的表面粗糙度分析

在銑削Ti40阻燃鈦合金過程中，高速銑削時易出現切屑與加工表面之間的粘結現象，在剪切分離過程中，部分切屑粘結在已加工表面，或部分已加工表面的工件材料被切屑帶走。低速銑削時，積屑瘤也會破壞加工表面，增大加工表面粗糙度值。

根據最佳銑削溫度理論，在低溫噴霧射流冷卻和最佳銑削溫度條件下加工Ti40阻燃鈦合金時，刀具材料與工件材料之間存在最大的相對硬度比，能夠較好地抑制粘結磨損，減少切屑與加工表面的粘連，從而改善加工表面粗糙度。本實驗中，表面粗糙度測量采用Mahr M1便攜式粗糙度測量儀，結果如圖7所示。可以發現，在最佳銑削溫度條件下精加工側銑Ti40阻燃鈦合金時，所得到的表面粗糙度均相對較低，因此最佳銑削溫度下銑削加工可以保證獲得較好的表面粗糙度。

圖7 表面粗糙度與銑削速度的關系

4 結語

（1）依據正交試驗獲得了Ti40銑削溫度經驗公式，發現銑削用量中，各參數對銑削溫度的影響程度大小，即切削速度對切削溫度的影響最顯著，其次為切削寬度，再次是每齒進給量。

（2）開展了基于優化切削溫度控制刀具磨損的研究，發現Ti(C,N)-Al2O3復合涂層硬質金刀具精加工側銑Ti40阻燃鈦合金的最佳切削溫度為437 ℃，并由此優化確定了不同的工藝參數組合。

（3）經切削試驗驗證，基于最佳銑削溫度優化出的銑削用量與刀具磨損結果是一致的，表明采用最佳銑削溫度優化切削用量的方法是可靠的，這為Ti40鈦合金切削用量優化提供了一種重要方法。

（4）試驗對比研究發現，最佳銑削溫度下銑削加工可以保證獲得較好的表面粗糙度。