李友生 吳沖滸 陳榮德

(廈門金鷺特種合金有限公司，福建廈門 361006)

鈦合金材料具有密度小、強度高、抗腐蝕性好等優(yōu)良特性［1－3］，在航空航天、汽車、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。同時它還具有導(dǎo)熱系數(shù)小、高溫化學(xué)活性大、彈性模量低、與其他金屬材料摩擦系數(shù)大等特性，所以就切削加工性而言，鈦合金材料又是一種典型的難加工材料［4－5］。實際生產(chǎn)中，鈦合金的切削加工通常都是在低速、低效和大量使用冷卻液的條件下進行。

隨著刀具材料的不斷發(fā)展，刀具性能的不斷提高以及人們環(huán)保意識的不斷增強，鈦合金材料的高速干切削或準(zhǔn)干切削技術(shù)成為可能，并逐步成為一種發(fā)展趨勢。但目前，關(guān)于如何指導(dǎo)鈦合金的高速干切削加工的研究并不多。本文中，筆者采用硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金TiAlN涂層刀具在相同切削參數(shù)下對鈦合金(Ti－6Al－4V)進行了高速干車削的正交試驗，通過對試驗結(jié)果的多元線性回歸分析，得到了兩種刀具材料在高速干車削鈦合金時的刀具壽命試驗公式，從而為鈦合金的高速干切削技術(shù)的應(yīng)用提供了理論和試驗依據(jù)。

1 試驗方案

在CA160車床上使用型號相同的硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金涂層刀具，配合型號為 DSSNR2020K12KC04的刀桿進行高速干車削加工鈦合金試驗，刀具的前角 γ0=15°，后角 α0=15°，主偏角Kr=45°，刀尖圓弧半徑r=0.8 mm。表1為硬質(zhì)合金刀具(A)和涂層刀具(B)的成分及性能。工件材料為Ti－6Al－4V，主要成分為:6%Al，4%V，其余為 Ti。表 2為工件材料鈦合金的物理特性。采用三因素三水平的正交試驗法對鈦合金進行高速干切削試驗，實驗設(shè)計見表3所示。刀具在切削一段路程后使用工具顯微鏡對后刀面的磨損進行測量，測量后刀具達到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(VBmax=0.6 mm)時所對應(yīng)的刀具使用壽命。

表1 硬質(zhì)合金和涂層刀具的成分及性能

表2 工件材料鈦合金的物理特性

表3 所用切削參數(shù)正交實驗表

根據(jù)廣義泰勒公式，刀具的壽命經(jīng)驗公式可以表示為［6－7］:

兩邊同時取對數(shù)，得:

lnT=lnCT+xlnv+ylnf+zlnap（2）

式中:T為刀具壽命，min;CT為刀具壽命系數(shù);v、f和ap為對應(yīng)表3中的切削參數(shù);x、y和z分別為各個切削參數(shù)對刀具壽命的影響指數(shù)。

通過9組正交試驗，可以反求lnCT、x、y和z，從而求出刀具的壽命經(jīng)驗公式。假設(shè)lnCT、x、y和z分別為β0、β1、β2和 β3，而參數(shù) lnT、lnv、lnf和 lnap設(shè)為y、x1、x2和x3，則刀具壽命公式的數(shù)學(xué)模型可以簡化為［8－9］:

若不考慮試驗誤差的影響，由最小二乘法可知:

式中:X′是X的轉(zhuǎn)置矩陣，(X′X)－1為X′X的逆矩陣。

2 試驗結(jié)果及分析

試驗所獲得兩種刀具的使用壽命見表4所示。

2.1 切削參數(shù)對刀具壽命的影響

從表4可以看出當(dāng)3個切削參數(shù)都選用最低水平時(試驗1)，兩種刀具的使用壽命都可以超過100 min，而隨著所選用的切削參數(shù)值越來越高，刀具的使用壽命急劇減少，甚至只有幾分鐘。

根據(jù)正交試驗的結(jié)果，利用計算機數(shù)值計算，通過多元線性回歸分析可以求出刀具的壽命經(jīng)驗公式。硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金涂層刀具的壽命經(jīng)驗公式分別用式(5)和(6)來表示:

表4 兩種不同刀具的正交實驗結(jié)果

從刀具壽命經(jīng)驗公式中可看出，高速干車削鈦合金時，兩種刀具的壽命與切削參數(shù)之間均有著相同的變化規(guī)律:3個切削參數(shù)對于刀具的壽命均為負影響，即隨著3個切削參數(shù)的增加，刀具壽命都會隨之減小，但三者對刀具壽命的影響程度各不相同，其中速度v對硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具的使用壽命影響最大，其次是進給量f，對刀具壽命影響最小的是切深ap。

切削加工鈦合金時，切削速度對刀具壽命的影響顯著。這是因為鈦合金與刀具材料的摩擦系數(shù)大，在高速切削加工時，切屑與刀具表面在極大壓力下劇烈摩擦，瞬時產(chǎn)生很高的切削溫度，而鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，切削時切屑帶走的熱量較少，更多的熱量集中在刀具表面，形成很高的切削溫度，高的切削溫度會軟化刀具材料，極大降低了刀具的使用性能，從而嚴重影響刀具的使用壽命［10］。

2.2 涂層對刀具壽命的影響

從表4中，還可以發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金涂層與未涂層刀具所表現(xiàn)的性能是各不相同的。總體而言，涂層刀具的使用壽命比未涂層刀具的壽命要高，但是在試驗3、5、7中出現(xiàn)了相反的情況，此時涂層刀具的壽命反而低于未涂層刀具的壽命。分析試驗3、5、7所對應(yīng)的加工參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，這3組試驗中，所用的切削速度均為100 m/min，是本次實驗中的最高速度，這說明低速切削加工鈦合金時，在刀具壽命方面，涂層刀具的優(yōu)勢明顯好于未涂層刀具，而切削速度較高時，涂層刀具的優(yōu)勢迅速減小，甚至優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)榱觿荨墓?5)和公式(6)中切削速度v的系數(shù)也可以看出，切削速度對于涂層刀具的影響程度大于對未涂層刀具的影響。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因與刀具的磨損形式和磨損機理有關(guān)。低速切削時，涂層刀具表面的涂層材料硬度較高、抗氧化溫度較高、涂層與工件材料的摩擦系數(shù)較低，低速切削加工時，刀具表面的涂層能很好地保護刀具基體，從而延長了刀具壽命;而高速切削時，由于切削溫度非常高，當(dāng)切削溫度高于涂層材料承受的溫度時，涂層就喪失了保護作用，此時涂層刀具和未涂層刀具的使用壽命相差無幾。

2.3 刀具壽命公式驗證

依據(jù)正交試驗得到的刀具壽命經(jīng)驗公式，可以繪制不同切削參數(shù)下刀具的使用壽命理論曲線。

在不同于正交試驗的切削參數(shù)下再進行刀具的切削試驗，試驗驗證得到的刀具壽命與刀具壽命理論曲線相比較，從而可以檢驗刀具壽命公式的準(zhǔn)確性。圖1為兩種刀具的切削試驗驗證壽命與刀具壽命理論曲線對比，其中兩種刀具試驗驗證的切削參數(shù)分別為:v=70 m/min，f=0.1 mm/r，ap=0.4 mm;v=90 m/min，f=0.1 mm/r，ap=0.4 mm。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn):刀具切削驗證點的使用壽命都與刀具理論壽命曲線非常接近，這說明通過線性回歸分析得到的刀具壽命經(jīng)驗公式是比較準(zhǔn)確的，壽命經(jīng)驗公式可以作為高速干切削加工鈦合金材料的指導(dǎo)依據(jù);通過正交試驗及切削驗證試驗，還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削速度低于85 m/min時，硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具的實際使用壽命會略高于刀具壽命經(jīng)驗公式的計算值，而這又可以在自動換刀的數(shù)控機床上作為加工機床換刀的依據(jù)。在線刀具磨損檢測一直是一個懸而未決的難題，這就使得帶刀庫的數(shù)控機床在自動換刀時缺乏有力支撐。當(dāng)?shù)毒吣p量較小時自動換刀會造成刀具的浪費，在刀具已磨損過大時再換刀容易造成工件材料的報廢，而采用比較準(zhǔn)確的刀具壽命經(jīng)驗公式作為自動換刀的依據(jù)往往是一個切實可行的方法。

3 結(jié)語

通過合理選擇切削參數(shù)使用硬質(zhì)合金刀具和硬質(zhì)合金TiAlN涂層刀具進行Ti－6Al－4V鈦合金的高速干切削正交試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，通過多元線性回歸分析得出硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具的壽命經(jīng)驗公式，研究結(jié)果表明，隨著所選用的切削參數(shù)值的升高，刀具的使用壽命急劇減少，其中速度v對刀具使用壽命的影響最大。涂層刀具在低速切削加工鈦合金時其壽命優(yōu)勢大于未涂層刀具，但隨著速度的提高，涂層刀具的優(yōu)勢迅速減小。當(dāng)切削速度小于85 m/min，刀具壽命經(jīng)驗公式可以作為數(shù)控機床自動換刀的刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)。

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