□ 多佳彬

蘭州理工大學機電工程學院 蘭州 730050

鈦合金作為醫(yī)學植入體材料，其在微銑削加工下，能得到很好的三維幾何形狀，可以增加與生物的相容性。鈦合金由于導熱系數(shù)低，加工過程中產(chǎn)生的切削熱不易發(fā)散，使工件及刀具的溫度過高，并且鈦合金與許多刀具材料容易產(chǎn)生化學反應，使切屑與刀具產(chǎn)生黏結(jié)現(xiàn)象，加劇了刀具的磨損，導致加工表面質(zhì)量下降。因此，對鈦合金微銑削的研究與分析是很有必要的。

1 微銑削國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

微銑削技術(shù)適用于加工復雜的三維幾何形狀，適用范圍非常廣泛。微銑削的切削機理不同于傳統(tǒng)銑削，在常規(guī)銑削中可以忽略的因素對微銑削過程卻有重要的影響。Lai等［1］用FEM集中研究了鈦材料的最小切削厚度和在微細切削過程中的刀具刃口鈍圓半徑；Ratchev 等［2］和 Brinksmeier 等［3］研 究了 在加 工過 程 中由工件和微型刀具變形產(chǎn)生的力，而該力產(chǎn)生的振動將影響整個加工過程的穩(wěn)定性。因此準確預測不同切削參數(shù)下的微銑削力，可以為實際加工提供理論基礎(chǔ)。

1.1 微銑削力建模的論述

對于預測分析微細銑削力和其結(jié)構(gòu)模型，很多學者做過研究。Vogler等［4］在平底銑刀的力學模型中考慮了工件微觀結(jié)構(gòu)；Vogler等［5］建立了線性滑移場模型，模擬了耕犁力，考慮了最小切削厚度；Jun等［6］改進了微銑削力模型，考慮了動態(tài)切削載荷下的刀具振動，但這種模型忽略了平底銑刀的螺旋角；Waldorf等［7］用不同的鈍圓半徑刀具加工6061-T6鋁，并做了一系列的實驗，提出了用滑移區(qū)模擬切削力的耕犁部分；Kim等［8］提出了在微銑削過程中切屑形成的靜態(tài)模型，描述了在低進給速度下切屑的間斷性形成；Kang等［9］考慮工件-刀具側(cè)面接觸的切削力，提出了一個微端銑的分析模型；Bissacco等［10］考慮了切削鈍圓半徑、切屑流出角的徑向跳動和偏差，提出了一個在微銑削過程中預測切削力的理論模型；Malekian等［11］研究了一種微銑削力的機械模型，考慮了耕犁力、主軸跳動以及彈性回復的影響，在刀具和工件交界面上提出了一個耕犁力模型。

在微銑削過程中，每齒進給量與刀具刃口圓弧半徑幾乎是相同的，刀刃在切入和切出工件時未變形切屑厚度小于最小切削厚度時，會產(chǎn)生顯著的耕犁力，而當未變形切屑厚度大于最小切削厚度時，耕犁力與切削過程中的剪切力會同時作用。同時，由于進給量很小，主軸的跳動和刀具的偏心量不能忽略。因此，建立微銑削力學模型需要綜合考慮刀具刃口鈍圓半徑、刀具等效前角的變化以及刀具偏心量等影響因素。

1.2 微銑削表面質(zhì)量的研究

尺寸精度和加工表面質(zhì)量是評價零件的兩個重要指標。傳統(tǒng)銑削過程中出現(xiàn)的加工表面缺陷和毛刺一般可以通過后處理去除，而在微銑削加工中由于零件尺寸的限制，后處理過程很難進行，所以，保證微銑削加工中一次優(yōu)良率尤為重要。

Gillespie［14］認為在零件微銑削加工過程中，會產(chǎn)生加工毛刺，不同的加工方法、工件的幾何形狀、成形機制和材料性質(zhì)，產(chǎn)生的毛刺也不相同，圖1給出了3種類型的常規(guī)尺寸毛刺：泊松毛刺、翻轉(zhuǎn)毛刺和撕裂毛刺。Chern［15］認為銑削過程中產(chǎn)生毛刺的類型很大程度上取決于加工面切屑出口的角度，在圖2給出了銑削表面時的5種毛刺類型：（a）刀狀毛刺，（b）卷曲狀毛刺，（c）波浪狀毛刺，（d）邊緣突出毛刺，（e）次要毛刺；Hashimura等［16］根據(jù)毛刺的位置、毛刺的形狀和毛刺的形成機制，將端銑過程中的毛刺進行了分類，圖3給出了端銑過程中毛刺的類型；Schueler等［17］研究了在不同進給量時用平底銑刀微銑削鈦合金時形成的毛刺；Vogler等［18］通過研究不同刀具進行切削加工時，發(fā)現(xiàn)了加工表面毛刺對已加工表面質(zhì)量的影響；Min等［19］研究了不同加工參數(shù)條件下順銑和逆銑對加工表面質(zhì)量的影響，得出順銑在小的切削速度條件下分別對加工表面粗糙度的影響。

國內(nèi)也有很多學者對微銑削加工零件的表面質(zhì)量進行過研究。孫雅洲［20］系統(tǒng)地分析了微型銑刀的幾何參數(shù)和所選用的每齒進給量以及最小切削厚度等因素對微銑削表面粗糙度的影響，通過實驗研究了微銑削過程中毛刺的形成以及影響毛刺產(chǎn)生的因素和規(guī)律；劉建峰［13］建立了適合微銑削的表面粗糙度理論模型，并針對微銑削表面粗糙度的實驗模型，分別用遺傳算法和模擬退火遺傳算法對微銑削表面粗糙度值進行了優(yōu)化，得到最優(yōu)的銑削用量組合。

2 鈦合金材料高速切削的研究和發(fā)展

▲圖1 泊松毛刺、翻轉(zhuǎn)毛刺和撕裂毛刺示意圖[14]

▲圖2 銑削表面時的5種毛刺類型

▲圖3 端銑過程中毛刺類型

在國外的研究中，Kitagawa［21］研究了在高速切削加工中刀具的溫升和磨損；Ezugwu［22］認為在切削鈦合金的過程中，將近80%的熱量是傳遞給刀具的，然而在切削鋼鐵過程中，這個比例系數(shù)只有50%，另一方面，鈦合金的導熱系數(shù)非常低，普通鋼鐵的導熱系數(shù)一般是鈦合金的6倍左右。由于上述兩個原因，導致了在切削鈦合金過程中的溫度集中，從而降低了刀具基底的黏合強度，加速了刀具的磨損。Narutaki［23］認為鈦合金在加工溫度超過500°C時，能與許多刀具材料發(fā)生反應，有與切削刀具形成焊接趨勢，這導致了在機械加工過程中刀具的塑性變形和嚴重的磨損，從而降低了加工精度；Shuting Lei［24］研究了使用驅(qū)動旋轉(zhuǎn)刀具對鈦合金進行高速切削；Wang Z G［25］用CBN刀具研究了對鈦合金的高速銑削；Ribeiro［26］研究了在切削鈦合金過程中的切削參數(shù)最優(yōu)化；Schueler等［17］研究了在平底微銑削鈦合金過程中毛刺的形成和表面特性；T.?zel等［27］通過實驗和有限元仿真的方法，研究了未涂層和CBN涂層兩種微徑銑刀對微銑削鈦合金的影響。

國內(nèi)很多學者也對鈦合金高速切削做了大量的研究。楊勇［28］用有限元仿真和實驗研究的兩種手段，對銑削鈦合金過程中的切削力和切削熱進行研究；滿忠雷［29］等對TC4合金在干切削、空氣油霧和氮氣油霧等冷卻介質(zhì)下的切削力進行了研究,在200～300 m/min的切削速度范圍內(nèi)，切削力隨切削速度的增加而單調(diào)上升；易俊杰［30］分別用有限元仿真和試驗研究的方法，對TC4和TC11兩種鈦合金在高速銑削過程中的切削力和切削熱進行了研究；Zhang等［31］對影響鈦合金銑削過程中的切削力和切削熱的銑削參數(shù)進行分析，得到銑削參數(shù)的可行域；2010年，楊勇等［32］應用雙刃斜角切削理論模型，對鈦合金TC4進行了三維有限元建模，對銑削過程中的切削力進行了有限元模擬。

我國對于鈦合金微銑削的研究還處于起步階段，由于近年來鈦合金在航空航天及醫(yī)學領(lǐng)域的廣泛應用，鈦合金的微銑削技術(shù)越來越受到重視，相信隨著微銑削技術(shù)的進一步發(fā)展，對鈦合金微銑削的研究會更受到重視。

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