減振銑刀切削對高強度高韌性TB6鈦合金的磨損試驗分析

1、引言

鈦合金具有比強度高、高強度、高韌性、耐腐蝕性等優良特性，廣泛應用于航空航天、醫療器械、汽車工業等領域[1，2]。由于鈦合金的熱導率低、彈性模量小和化學活性高，導致切削時溫度高、切削力大和刀具磨損嚴重[3]。TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)是近β型鈦合金，具有高強度、高韌性和良好的熱處理性能[4]，廣泛應用于飛機起落架、引擎機艙和尾翼等零件的制造[5]。

國內外許多學者對切削過程中銑刀的磨損情況進行了研究。HartungP.D.等[6]研究了鈦合金加工過程中的刀具磨損機理，發現WC-Co基硬質合金和PCD作為刀具基體材料可減小刀具磨損。SuiS.C.等[7]在銑削鈦合金TC4的過程中發現銑刀磨損速率會導致燒傷缺陷的產生，磨損速率主要受切削參數的影響，其中影響最大的是切削速度。趙勛等[8]使用鈦合金銑刀高速銑削TC4鈦合金，分析了刀具磨損機理和刀具耐用度，發現刀具磨損主要包括磨料磨損、粘接磨損和擴散磨損三種類型，切削速度對刀具耐用度具有重要影響。金成哲等[9]采用正交車銑58Simn高強度鋼的刀具磨損試驗來分析切削用量對刀具耐用度的影響，通過觀察刀具磨損形貌發現切削刃出現微崩現象。余宗寧等[10]進行了金剛石涂層銑刀銑削CE11高硅鋁合金的磨損試驗，并結合仿真分析了切削用量對銑刀磨損的影響，發現主軸轉速對銑刀磨損的影響最大。

減振銑刀(變螺旋角銑刀、變齒距銑刀)通過改變銑刀的螺旋角和齒距來影響銑削過程中切削力的周期性變化，從而抑制顫振。在螺旋角和齒距改變的同時，刀齒與工件接觸的面積也會發生變化，對銑刀的磨損產生影響。

目前有關減振銑刀磨損的研究較少，本文采用變螺旋角銑刀、變齒距銑刀和標準銑刀切削TB6鈦合金，從刀具耐用度、磨損速率和磨損形貌三個方面研究刀具幾何結構對銑刀磨損的影響。

2、試驗設計

磨損試驗中所用刀具為變螺旋角銑刀、變齒距銑刀和標準銑刀，其幾何結構參數見表1。

在干銑條件下進行側銑工件試驗，銑削方式為逆銑。工件尺寸70mm×57.5mm×35mm，工件材料均為經過鍛造處理的TB6鈦合金。TB6鈦合金的化學成分和室溫機械性能分別見表2和表3[11]。采用型號為BV75的數控機床銑削尺寸為70mm×35mm的工件側面，磨損試驗裝置見圖2。采用型號為Dino-LiteAM7013MZT顯微鏡觀察銑刀磨損情況，用銑刀后刀面的磨損帶寬度表示磨損量。對每個銑刀切削刃后刀面磨損帶寬度測量5次，再對測量的4個切削刃后刀面磨損帶寬度進行均值處理，以求解銑刀的磨損量。在切削試驗過程中，切削深度和切削寬度均保持恒定，三種銑刀的懸伸量均為40mm。切削參數選擇見表4。

3、試驗結果與分析

3.1銑刀耐用度分析

標準銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的磨鈍標準相同，均為0.1mm，0.2mm和0.3mm。對接近磨鈍標準的磨損量進行測量，三種銑刀磨損量隨切削時間的變化見圖3。

由圖3可知，標準銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀均在正常磨損階段。根據圖3可求解三種銑刀在切削速度為25m/min，30m/min和35m/min以及磨鈍標準為0.1mm，0.2mm和0.3mm的刀具耐用度。達到磨鈍標準0.3mm時，三種銑刀的耐用度隨切削速度的變化見圖4。

由圖4可知，磨損量為0.3mm時，三種銑刀的耐用度均隨切削速度的提高而減小，說明三種銑刀的磨損都隨著切削速度的增大而加快。

切削速度分別為V=25m/min，V=30m/min和V=35m/min時，三種銑刀的耐用度隨磨損量的變化見圖5。

由圖5可知，切削速度為25m/min，30m/min和35m/min以及磨損量為0.1mm，0.2mm和0.3mm時，三種銑刀的刀具耐用度大小順序均為:標準銑刀的刀具耐用度最大，變螺旋角銑刀次之，變齒距銑刀最小。

3.2銑刀磨損速率分析

銑刀耐用度表示達到磨鈍標準0.1mm，0.2mm和0.3mm的銑刀磨損時間，但不能反映銑刀在正常磨損階段(磨損量為0.1～0.2mm和0.2～0.3mm)的磨損情況，因此考慮建立一種表示時間和磨損量關系的模型，以反映銑刀在整個正常磨損階段的磨損情況。根據測量的磨損數據建立磨損時間和磨損量的線性回歸模型，該回歸模型不僅可反映銑刀在整個正常磨損階段的耐磨程度，還可表示任意時刻的磨損量。銑刀磨損速率為線性回歸模型中的斜率，表示銑刀磨損速度的快慢。

在切削速度為25m/min，30m/min和35m/min時，標準銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的切削時間和磨損量的線性回歸模型見表5。

由圖6可知，隨切削速度的提高，標準銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的磨損速率隨之增大，說明三種銑刀的磨損在整個正常磨損階段內都隨著切削速度的提高而加快。在切削速度為25m/min，30m/min和35m/min時，三種銑刀的磨損速率大小順序為:變齒距銑刀的磨損速率最大，變螺旋角銑刀次之，標準銑刀最小。由此可知，在整個正常磨損階段，標準銑刀的耐磨性最好，變齒距銑刀的耐磨性最差。

根據表5繪制三種銑刀磨損速率隨切削速度的變化曲線(見圖6)。

3.3銑刀磨損形貌分析

由于標準銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀在不同切削速度下達到磨鈍標準的磨損情況類似，因此僅對切削速度為25m/min的銑刀磨損形貌進行分析。

(1)標準銑刀磨損形貌

由圖7a－圖7l可知，標準銑刀隨著磨損量由0.1mm增加到0.3mm，切削刃的磨損帶寬度不斷增大，且切削刃的后刀面磨損均勻。觀察圖7i－圖7l，在磨損量為0.3mm時，切削刃出現明顯破損，且第2切削刃的破損較為嚴重。

(2)變螺旋角銑刀磨損形貌分析

由圖8a－圖8l可知，變螺旋角銑刀隨著磨損量由0.1mm增加到0.3mm，切削刃的磨損帶寬度不斷增大，并且切削刃后刀面的磨損不均勻。觀察圖8i－圖8l，在磨損量為0.3mm時，切削刃出現明顯破損，且第2切削刃的破損較為嚴重。

(3)變齒距銑刀磨損形貌

由圖9a－圖9l可知，變齒距銑刀隨著磨損量由0.1mm增加到0.3mm，切削刃的磨損帶寬度不斷增大，且切削刃后刀面的磨損不均勻。觀察圖9i－圖9l，在磨損量為0.3mm時，切削刃出現明顯破損，且第2、4切削刃的破損較為嚴重。

(4)刀具幾何結構對磨損形貌的影響

比較圖7、圖8和圖9發現，當標準銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的磨損量達到磨鈍標準0.1mm、0.2mm和0.3mm時，三種銑刀后刀面的磨損情況不同:標準銑刀的后刀面磨損均勻，而變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的后刀面磨損不均勻。磨損量達到0.3mm時，三種銑刀的后刀面均出現了破損。

4、結語

采用標準銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀切削TB6鈦合金，研究刀具幾何結構對銑刀磨損的影響。對三種銑刀的后刀面磨損情況進行分析，得出如下主要結論:

(1)刀具耐用度。三種銑刀達到磨鈍標準0.3mm的刀具耐用度均隨著切削速度的增加而減小。在切削速度為25m/min，30m/min和35m/min時，達到磨鈍標準0.1mm，0.2mm和0.3mm的銑刀耐用度大小順序為:標準銑刀的刀具耐用度最大，變螺旋角銑刀次之，變齒距銑刀最小;

(2)銑刀磨損速率。三種銑刀的磨損速率均隨著切削速度的提高而增大。在整個正常磨損階段，切削速度為25m/min，30m/min和35m/min的銑刀磨損速率大小順序為:變齒距銑刀的磨損速率最大，變螺旋角銑刀次之，標準銑刀最小;

(3)銑刀磨損形態。三種銑刀在切削速度為25m/min、30m/min和35m/min和磨損量為0.3mm時均出現破損。標準銑刀后刀面磨損較為均勻，而變螺旋銑刀和變齒距銑刀后刀面磨損不均勻。

參考文獻

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[11]中國航空材料手冊編委會.中國航空材料手冊[M].北京:中國標準出版社，2002: 253 －273.

第一作者:劉建永，博士研究生，北京航空航天大學機械工程及自動化學院，100191 北京市

First Author:Liu Jianyong，Doctoral Graduate，School of Me-chanical Engineering and Automation，Beijing 100191，China

通信作者:喬立紅，博士，教授，北京航空航天大學機械工程及自動化學院，100191 北京市

Corresponding Author:Qiao Lihong，Doctor，Professor，School of Mechanical Engineering and Automation，Beijing 100191，China