鈦合金銑削刀具后刀面磨損預測及應力分析

（新鄉職業技術學院，智能制造學院，河南新鄉市，453000） 楊 光

鈦合金作為一種具備優異綜合性能的合金材料，目前已在精密部件、航空航天器材、輕型交通、耐腐蝕機械零件等領域獲得廣泛應用。但受鈦合金自身材料特性的影響，其導熱率較小，對其進行切削加工時無法快速傳遞刀具切削工件期間形成的熱量，這使得刀具中積累了大量的熱量而引起組織軟化，造成明顯的磨損破壞現象。鈦合金還具備很強化學活性，對其進行切削加工時會引起工件材料和刀具之間發生粘附情況，引起崩刃以及刀具的提前失效問題[1]。金屬切削呈現非線性變化特點，處于高溫高壓環境中時較易引起刀具的表面磨損。并且刀具磨損還受到多種磨損機制的相互作用，表現為磨粒磨損、擴散磨損、粘結損、組織變形等多種形式[2-4]。

本文選擇切削加工期間的力熱耦合程度作為判斷依據，采用該方法進行建模時處理過程較簡便，能夠實現快速計算與高可靠度，能夠對任意中間變量實時顯示，準確預測銑削的刀具壽命。

1 刀具磨損預測模型建立

受鈦合金自身材料特性的影響，其導熱率較小，對其進行切削加工時無法快速傳遞刀具切削工件期間形成的熱量，這使得刀具中積累了大量的熱量而引起組織軟化，造成明顯的磨損破壞現象。為了實現對刀具磨損狀態預測，已有許多學者針對磨損量的定量分析開展了深入探討，同時根據磨損機制構建了計算式。HUANG[7]構建了磨粒磨損、擴散磨損與黏接磨損作用下的磨損率表達式：

隨著溫度的上升，形成了顯著擴散磨損的現象，因此預測磨損帶的時候，可以把磨損率表示成包含溫度參數的分段函數。

HUANG[7]針對切削過程建立了下述的磨粒磨損率表達式：

式中，Kabr表示磨粒磨損系數；Pa是磨粒硬度；Pt表示刀具材料的硬度；K、n都是包含Pa的函數；Vc是滑動速率相對值；w 表示切削的寬度；VB 表示后刀面上形成的磨損帶長度；σ表示后刀面正應力均值。表達式如下：

式中，T表示攝氏溫度，黏接磨損系數Aw與Bw分別為7.91×10-9與2.53×103，Kdif、KQ依次為2.63×10-3與6.84×103。

2 預測模型驗證試驗

本實驗重點分析了各個加工條件下，采用鈦合金后刀面銑削磨損參數。采用合金刀具對鈦合金進行銑削處理時，將會形成銑削力與銑削熱的耦合作用，非常容易造成刀具后刀面的磨損問題，設定刀桿長度與直徑分別為120mm 與20mm，刀片則選擇三菱結構APGT1135PDFR-G2 硬質合金進行制備得到。設置兩種工藝條件作為銑削刀具的后刀面磨損測試參數，具體銑削加工參數見表1。

表1 銑削加工參數

以顯微鏡觀察刀面磨損形貌，以VHX-300 型光學顯微鏡對后刀面的磨損測試，以3 次測試所得的均值作為磨損帶的長度。在實際加工期間，按照固定間隔時間將銑削刀片的磨損帶長度進行記錄后再替換為新刀片，由此避免測試期間引起偶然偏差的問題，根據以上測試方式得到切削力與磨損參數。

3 后刀面應力計算結果

進行低速銑削期間，受到沖擊作用并造成工件材料的硬化，導致塑性流動區形成較大的應力，逐漸增大切削速率時，形成了更高的切削溫度，導致材料出現明顯熱軟化，塑性流動區的應力則發生了顯著減小，最終形成圖1中的銑削力變化曲線。

圖1 切削力試驗值與計算值對比圖

如圖1 所示，逐漸提高后刀面磨損帶長度后，x與y方向都發生了切削力的持續上升。通過計算磨損帶切削力測試結果可知，Fx方向的切削力均值相對誤差最大出現于磨損帶長度78.2μm 的條件下，達到6.42%；沿Fy方向形成的切削力相對誤差則是在磨損帶長119.2μm的條件達到最大為2.35%。經對比可知，測試結果與計算得到的切削力相符，此時后刀面的磨損帶測試結果也產生了較大的誤差。從整體數據對比上分析可知形成了與數值相近的趨勢，由此判斷按照以上方法進行應力計算時可以準確反饋加工階段后刀面應力分布特征。以本文預測方法可以獲得較高準確率并達到理想的穩定性。

4 結論

提高后刀面磨損帶長度后，切削力持續上升，Fx 切削力均值相對誤差最大出現于磨損帶長度78.2μm 下，達到6.42%；Fy 切削力相對誤差在磨損帶長119.2μm達到最大為2.35%。以本文預測方法可以獲得較高準確率并達到理想的穩定性。