□ 邊洪錄 □王子銘 □李 勛

1.中國(guó)空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星制造廠有限公司 北京 1000942.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 北京 100191

1 優(yōu)化試驗(yàn)背景

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

目前,鈦合金實(shí)際生產(chǎn)中所面臨的主要問(wèn)題是刀具磨損嚴(yán)重。刀具過(guò)快磨損嚴(yán)重影響了機(jī)械零部件的加工質(zhì)量和效率,大大提高了零部件的生產(chǎn)成本[1]。在加工過(guò)程中,不可避免會(huì)產(chǎn)生刀具的磨損現(xiàn)象,對(duì)鈦合金加工表面質(zhì)量產(chǎn)生較為明顯的影響[6]。針對(duì)鈦合金的加工問(wèn)題,眾多刀具生產(chǎn)廠家推出了成百上千種刀具。不同的機(jī)床條件、工件材料成分及熱處理狀態(tài)、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(yōu)選刀具和優(yōu)化銑削參數(shù)，是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作[8]。近年來(lái),大進(jìn)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(lái)越廣泛的應(yīng)用。在較小的切削深度下,可以使用較大進(jìn)給量進(jìn)行銑削,進(jìn)而提高刀具的加工效率[9-11]。

筆者針對(duì)TC4鈦合金材料進(jìn)行大進(jìn)給銑削加工試驗(yàn),結(jié)合加工過(guò)程中的材料去除率和刀具后刀面磨損量,優(yōu)化大進(jìn)給銑削參數(shù),驗(yàn)證大進(jìn)給銑削加工方式在提高鈦合金材料加工效率方面的優(yōu)勢(shì),為推進(jìn)大進(jìn)給銑削在鈦合金材料高效加工方面的應(yīng)用提供參考。

2 大進(jìn)給銑削基本原理

銑削時(shí),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(zhǎng)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(guò)程中,當(dāng)切削深度ap一定時(shí),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(zhǎng)度增大。

刀具的切削厚度ac與每齒進(jìn)給量fz的關(guān)系為:

ac=fzsinKr

(2)

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

對(duì)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(jù)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(jìn)給量;Kr1為不同刀具的主偏角。

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

刀具切削面積Ac為:

Ac=acaw=fzap

(4)

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

綜合上述分析,大進(jìn)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(dāng)?shù)毒叩那邢骱穸认嗤瑫r(shí),刀具主偏角越小,刀具進(jìn)給量越大,刀具切削面積越大,加工效率越高。

3 銑削試驗(yàn)條件

大進(jìn)給銑刀銑削參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)選用Stellram大進(jìn)給銑刀,如圖2所示。刀具直徑為32 mm,有三齒,刀桿牌號(hào)為7792VXD 09 WA032Z3R,刀片牌號(hào)為XDLT 09 0412ER-41 X500。

▲圖2 Stellram大進(jìn)給銑刀

試驗(yàn)工件為鈦合金TC4塊料,尺寸為150 mm×100 mm×80 mm，熱處理狀態(tài)為固溶時(shí)效。固溶處理溫度為910～940 ℃,持續(xù)1.5～2 h,進(jìn)行水淬冷。時(shí)效處理的溫度為520～550 ℃,持續(xù)2～4 h,進(jìn)行空冷。試驗(yàn)機(jī)床為三坐標(biāo)數(shù)控加工中心,銑削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

▲圖3 銑削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

采用Dino-Lite數(shù)字顯微鏡,如圖4所示。將數(shù)字顯微鏡對(duì)準(zhǔn)刀具后刀面的磨損帶進(jìn)行拍照,用附帶的DinoCapture軟件對(duì)刀具后刀面磨損值進(jìn)行測(cè)量,并以此為基礎(chǔ)分析刀具的磨損情況。

▲圖4 Dino-Lite數(shù)字顯微鏡

銑削試驗(yàn)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(yàn)方案及結(jié)果

采用正交試驗(yàn)法,基于大進(jìn)給銑刀進(jìn)行銑削參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。采用L9(34)正交設(shè)計(jì)表,試驗(yàn)采用切削速度v、每齒進(jìn)給量fz、切削深度ap、切削寬度aw四個(gè)因素,各因素分別有三個(gè)水平,水平按等比數(shù)列遞增。取刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為后刀面磨損值0.25 mm。大進(jìn)給銑削參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)水平見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2，試驗(yàn)分析見表3。

在銑削參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中,對(duì)刀具各階段的后刀面磨損值進(jìn)行采集,繪制所有九組試驗(yàn)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(guò)程中刀具的磨損形式,評(píng)價(jià)刀具的銑削性能。

表1 試驗(yàn)水平

表2 試驗(yàn)結(jié)果

表3 試驗(yàn)分析 min

▲圖5 刀具磨損曲線

按照選定的刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)0.25 mm,確定銑削參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)中刀具的使用壽命,得到優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果。分析正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)銑削參數(shù)影響刀具耐用度的規(guī)律進(jìn)行研究。

分析正交試驗(yàn)因素指標(biāo),以各因素試驗(yàn)結(jié)果平均值為縱坐標(biāo),以因素水平為橫坐標(biāo),繪制因素指標(biāo)圖,如圖6所示。由圖6可知,切削速度和切削寬度對(duì)刀具耐用度的影響程度最大,取最高水平時(shí),刀具耐用度明顯降低。當(dāng)每齒進(jìn)給量小于0.46 mm/Z時(shí),對(duì)刀具耐用度的影響程度不大,但當(dāng)每齒進(jìn)給量大于0.46 mm/Z時(shí),刀具耐用度開始明顯降低。切削深度對(duì)刀具耐用度并沒(méi)有明顯影響,選用銑削參數(shù)時(shí)應(yīng)盡量選擇較大的切削深度。

▲圖6 正交試驗(yàn)因素指標(biāo)圖

通過(guò)對(duì)銑削參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得到銑削參數(shù)對(duì)大進(jìn)給銑刀刀具耐用度的影響規(guī)律。在保證刀具擁有較高加工效率和較長(zhǎng)使用壽命(長(zhǎng)于12 min)的前提下,得到大進(jìn)給銑刀的銑削參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果如下:切削速度為50 m/min,每齒進(jìn)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(yōu)化的銑削參數(shù),銑削加工11 000 mm3，對(duì)應(yīng)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(xiàn)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(méi)有出現(xiàn)崩刃,刀具處于正常磨損狀態(tài)?？梢?，刀具在銑削優(yōu)化參數(shù)下表現(xiàn)出良好的切削性能，驗(yàn)證了大進(jìn)給銑削參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果的合理性。由此確認(rèn)，大進(jìn)給銑刀在切削速度50 m/min、每齒進(jìn)給量0.5 mm/Z、切削寬度15 mm、切削深度1.2 mm時(shí),具有良好的刀具耐用度和較高的材料去除率。

5 結(jié)束語(yǔ)

大進(jìn)給銑削加工方式通過(guò)減小刀具的主偏角,使刀具的平均切削厚度減小,進(jìn)而可以大幅提高進(jìn)給速度和加工效率,實(shí)現(xiàn)TC4鈦合金的高效加工。

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

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