高速軸向車銑TC4內(nèi)孔的硬質(zhì)合金刀具磨損特性

高速軸向車銑TC4內(nèi)孔的硬質(zhì)合金刀具磨損特性*

姜增輝，王文凱，任夢羽

(沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽110159)

摘要：為研究高速軸向車銑TC4鈦合金內(nèi)孔時硬質(zhì)合金刀具的磨損特性，在200m/min切削速度下采用順銑、逆銑兩種方式進行了干切削試驗，分析了刀具磨損的特征及在此條件下兩種銑削方式對刀具使用性能的影響。結(jié)果表明：高速軸向車銑TC4鈦合金時硬質(zhì)合金刀具的磨損主要發(fā)生在刀尖刃口及后刀面，刀具的磨損形式以粘結(jié)磨損為主；在相同條件下，刀具的耐用度在順銑時遠高于逆銑，順銑切削有利于提高刀具壽命，降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：TC4鈦合金；軸向車銑；硬質(zhì)合金刀具；刀具磨損

文章編號：1001-2265(2015)09-0028-03

收稿日期：2014-11-09；修回日期：2014-12-04

基金項目：*國家科技重大專項資助(2012ZX04003-061)

作者簡介：姜增輝(1971—)，男，黑龍江北安人，沈陽理工大學教授，博士，研究方向為高速、高效切削技術(shù)方面研究，(E-mail)jzh1022@163.com。

中圖分類號：TH165;TG506

The Wear Characteristic of Carbide Tools in High Speed Cutting TC4 Inner

Bore by the Axial Turn-milling

JIANG Zeng-hui,WANG Wen-kai,REN Meng-yu

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159,China)

Abstract：In order to study the carbide tools wear characteristic in high speed cutting TC4 titanium alloy inner bore by axial turn-milling, the dry cutting experiment is carried out under up milling and down milling two kinds of ways in 200 m/min cutting speed. The wear characteristics and the performance of the tool are analyzed under two ways of milling. Results show that: wearing occurs mainly at the tip of blade and flank face on the carbide tools in high speed cutting TC4 titanium alloy inner bore by axial turn-milling, the tool wear form is mainly adhesion wear. In the same conditions, the cutter durability in down milling is far higher than in up milling, the down milling benefit increasing cutter life and reducing production cost.

Key words： TC4 titanium alloy;axial turn-milling;carbide tool;tool wear

0引言

鈦合金是在20世紀發(fā)展起來的一種重要的金屬材料，它具有的比重小、比強度高、高熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、兵工、化工、醫(yī)療等行業(yè)中。TC4(Ti6A14V)是一種典型的鈦合金材料，其熱導率低、彈性模量小、化學活性高，使其在切削加工中切削區(qū)溫度高、刀具磨損嚴重[1-5]。

目前，較大的內(nèi)孔加工主要采用車削、鏜削等傳統(tǒng)的加工工藝方法[6]。在加工鈦合金內(nèi)孔工件時刀具磨損嚴重、斷屑困難、切削區(qū)工況不便觀察等問題導致加工效率很低，嚴重阻礙了鈦合金材料在此類零件中的應(yīng)用。軸向車銑加工中銑刀與工件軸線平行，可用于較大內(nèi)孔的切削加工。它是一種多刃間斷切削，切削任務(wù)由多刃分擔，且切削時每個刀刃有一定的冷卻時間，因此采用軸向車銑加工鈦合金內(nèi)孔，不但可以易于得到斷屑，且由于刀具磨損較慢，在加工大型內(nèi)孔時可大幅減少換刀次數(shù)，大大縮短加工周期[7-11]。由于當前主要采用硬質(zhì)合金刀具對鈦合金材料進行切削加工，因此深入研究硬質(zhì)合金刀具在軸向車銑鈦合金內(nèi)孔時的磨損機理及特點具有重要的意義。

本文通過在不同銑削方式下高速軸向車銑鈦合金內(nèi)孔實驗，研究其刀具的磨損特點，為軸向車銑鈦合金內(nèi)孔的切削參數(shù)及工藝方法的選擇提供參考。

1試驗條件

1.1工件材料

工件材料選用TC4鈦合金厚壁管，外徑200mm，壁厚50mm, 其化學成分如表1所示。

表1　TC4的化學成分(質(zhì)量分數(shù)%)

1.2主要試驗設(shè)備

(1)實驗機床：軸向車銑鈦合金內(nèi)孔在MAZAK200Y臥式車銑加工中心上完成。實驗過程中車銑加工中心B軸回轉(zhuǎn)90°，使銑刀處于水平位置，通過銑刀與工件的復合運動完成內(nèi)孔表面的加工(如圖1)。

(2)實驗刀具：試驗選用的是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(如圖2)。

圖2　試驗用刀桿及刀片

(3)測量裝置選用基恩士VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)來觀察刀具的前刀面和后刀面磨損形態(tài)，并測量后刀面的磨損量。

1.3試驗條件及切削參數(shù)

試驗采用單因素試驗法，在200 m/min切削速度下分別采用順銑和逆銑(如圖3)方式干式切削鈦合金內(nèi)孔，具體試驗參數(shù)如表2所示,其中銑削深度ap為銑刀在工件徑向的吃刀深度，軸向進給量fa為工件旋轉(zhuǎn)一周銑刀在工件軸向進給的距離。

圖3　軸向車銑加工內(nèi)孔的順銑與逆銑

序號vc(m/min)ap(mm)fa(mm/r)fz(mm/z)銑削方式120050.40.1順銑220050.40.1逆銑

在切削過程中，每隔一定的切削路程取下刀片，使用VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)觀察刀具的磨損形態(tài)，并測量記錄刀具后刀面的磨損寬度。

2試驗結(jié)果與分析

2.1刀具的磨損形態(tài)

圖4為順銑時刀片前、后刀面的磨損形態(tài)，此時銑刀沿工件內(nèi)孔圓周方向?qū)嶋H切削了8.64m。圖中顯示，在前刀面上未出現(xiàn)明顯的月牙洼，這證明切削過程中切屑沿著前刀面流出時對前刀面的摩擦作用并不明顯。后刀面出現(xiàn)了比較明顯的溝槽，而且刀尖處切削刃有一定塌陷，由此可知，切削時刀尖處的后刀面與工件發(fā)生了比較強烈的擠壓與摩擦。一方面，銑刀軸向進給運動使主后刀面與切削表面產(chǎn)生強烈擠壓。另一方面，鈦合金彈性模量小，被切削后回彈更大，這大大增加了副后刀面與已加工表面的接觸面積，使副后刀面的摩擦作用大幅增加。

(a)前刀面　　　　　　　　　(b)后刀面

圖5為逆銑時刀片前、后刀面的磨損形態(tài)，此時銑刀的切削長度為6.17m。與圖4對比，盡管逆銑的切削長度小于順銑，但刀具的磨損情況比圖4中順銑刀具嚴重得多。刀尖切削刃塌陷非常嚴重，后刀面磨損區(qū)域很大，溝槽十分明顯。

綜上可知，軸向車銑內(nèi)孔的刀具磨損主要發(fā)生刀尖刃口及其后刀面。

(a)前刀面　　　　　　　　　 (b)后刀面

2.2刀具的磨損機理

圖6所示為采用順銑方式軸向車銑TC4鈦合金內(nèi)孔后，刀尖刃口磨損區(qū)域的SEM照片及能譜圖。SEM照片顯示強烈的磨損使刀尖產(chǎn)生嚴重塌陷，磨損區(qū)域有少量粘結(jié)物，能譜圖顯示磨損區(qū)域的含有大量Ti元素，由此可知粘結(jié)物主要為工件材料。硬質(zhì)合金刀具高速銑削TC4鈦合金時，工件材料會在高溫高壓環(huán)境下與刀具材料產(chǎn)生粘結(jié)，切削過程中粘結(jié)物脫落時會帶走少量刀具材料，此過程反復發(fā)生使刀具產(chǎn)生粘結(jié)磨損。

圖7所示為采用逆銑時刀尖刃口磨損區(qū)域的SEM照片及能譜圖。由SEM照片同樣可以看到強烈的磨損使刀尖產(chǎn)生了明顯塌陷，且磨損區(qū)域有粘結(jié)物，能譜圖也顯示磨損區(qū)域的含有大量Ti元素，由此得到粘結(jié)物同樣為工件材料，逆銑時主要磨損形式亦為粘結(jié)磨損。

(a)刀尖刃口的SEM照片

(b)磨損區(qū)域能譜圖

(a)刀尖刃口的SEM照片

(b)磨損區(qū)域能譜圖

2.3順銑、逆銑的刀具壽命對比

圖8為在同樣切削參數(shù)下采用順銑、逆銑兩種不同銑削方式高速軸向車銑TC4內(nèi)孔后刀具的磨損曲線對比。圖中橫坐標為銑刀沿工件內(nèi)孔圓周方向?qū)嶋H切削的總長度，縱坐標為后刀面磨損量。從圖中可以看出采用200m/min的切削速度干式軸向車銑TC4內(nèi)孔，刀具磨損速度較快。順銑加工在切削長度超過2m以后，刀具磨損速率開始上升，在切削長度為17m時后刀面磨損量達到0.3mm。逆銑加工中刀具幾乎沒有正常磨損階段，開始切削刀具就急劇磨損，磨損速度非?？?，切削長度在6m時后刀面磨損量就達到了0.3mm。

由上可知，在200m/min下高速軸向車銑TC4內(nèi)孔，刀具磨損速度很快，而且在切削參數(shù)相同的條件下，順銑切削的刀具磨損遠小于逆銑切削。

( v c=200m/min, a p=5mm, f a=0.4mm/r, f z=0.1mm/z)

3結(jié)論

研究了高速軸向車銑TC4鈦合金內(nèi)孔時硬質(zhì)合金刀具的磨損特征，得到如下結(jié)論：

(1)硬質(zhì)合金刀片的磨損以刀尖刃口的塌陷和后刀面的溝槽磨損為主要特征。

(2)高溫高壓下工件材料對刀具材料的粘結(jié)作用使刀具磨損逐漸加大，粘結(jié)磨損是刀具的主要磨損形式。

(3)在軸向車銑鈦合金內(nèi)孔時，順銑加工刀具的耐用度遠高于逆銑加工。因此，一般情況下，高速軸向車銑TC4鈦合金時，選擇順銑加工對提高刀具使用壽命，降低生產(chǎn)成本較為有利。

[參考文獻]

[1] 杜國臣.硬質(zhì)合金刀具車削Ti6Al4V鈦合金試驗研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2013(5)：36-38.

[2] 黃天娥,范桂彬,閆海,等.航空用鈦合金材料及鈦合金標準發(fā)展綜述[J].航空標準化與質(zhì)量，2010(3)：30-33.

[3] 羅漢兵,趙軍,李安海,等.高速銑削鈦合金Ti6Al4V銑削力試驗研究[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù)，2011(5):18-20.

[4] 陳五一.鈦合金加工的幾點進展[J]. 國防制造技術(shù)，2011，2(1)：19-20.

[5] 陳五一，袁躍峰.鈦合金切削加工技術(shù)研究進展[J].航空制造技術(shù)，2010(15):26-30.

[6] 沈長龍. 一種缸筒類零件內(nèi)孔的加工方法[J].機械與電子,2013(14):45-46.

[7] 賈春德,姜增輝.車銑原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[8] SCHULZ H, SPUR G. High speed turn-milling-a new manufacturing technology for the machining of symmetrical work pieces[J].Ann. CIRP, 1990,39(1) :107-109 .

[9] CHOUDHURY S K, MANGRULKAR K S. Investigation of orthogonal turn- milling for the machining of rotationally symmetrical work pieces[J]. Journal of Materials Processing Technology,2000 (99): 120- 128.

[10] 金成哲,隋連香,徐驏.正交車銑復合加工的切削用量優(yōu)化[J]. 沈陽理工大學學報,2010, 27 (6):56-59.

[11] 石莉,陳爾濤. 軸向車銑鑄鋁內(nèi)孔表面粗糙度的研究[J].制造技術(shù)與機床,2012(2):107-109.

(編輯李秀敏)