李亮亮　李鵬飛　杜寶瑞　初宏震

(①沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司技術(shù)中心，遼寧 沈陽 110850；②東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110004)

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基于國產(chǎn)裝備的鈦合金TC4高效銑削試驗研究*

李亮亮①李鵬飛②杜寶瑞①初宏震①

(①沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司技術(shù)中心，遼寧 沈陽 110850；②東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110004)

鈦合金TC4在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而其加工效率極低。以民機零件為試驗對象，開展了鈦合金高效銑削試驗，試驗結(jié)果表明：乳化液更利于切削熱量的排放，減少刀具磨損，延長刀具壽命；利用3軸和5軸配合加工方式，可以提高航空工件曲面的加工效率，曲面重構(gòu)可以提高工件的加工表面質(zhì)量；合理的切削參數(shù)，能夠充分發(fā)揮國產(chǎn)裝備的切削性能，材料去除率達到了75cm3/min。

TC4；銑削；刀具壽命；曲面加工；材料去除率

鈦合金TC4以其密度小、強度高、耐高溫、抗腐蝕性好等特點，在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于其導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)活性大、彈性模量小，使得鈦合金切削加工性較差，主要表現(xiàn)在切削溫度高、變形系數(shù)小、單位面積切削力大，在切削刃附近，冷硬、粘刀現(xiàn)象和刀具磨損都很嚴(yán)重[1-2]，導(dǎo)致鈦合金加工效率極低。為了提高鈦合金工件的加工效率，國內(nèi)外學(xué)者在切削力、切削溫度、刀具磨損、材料去除率等方面，開展了大量仿真及試驗研究。

MartinBaker采用二維正交切削模型研究切削速度對切削力和切屑形成過程的影響，通過仿真分析再現(xiàn)了實驗中出現(xiàn)的隨著切削速度的增加切削力減小的現(xiàn)象[3]。劉勝基于ABAQUS研究了鈦合金切削過程的切削力一般規(guī)律[4]。Z.G.Wang等采用不同冷卻方式(乳化液、干切、微量潤滑)進行鈦合金連續(xù)和斷續(xù)切削，并進行了試驗驗證[5]。MasafumiKikuchi通過切削溫度研究鈦合金Ti6A14V的切削加工性[6]。范依航建立了刀具磨損圖，研究了刀具磨損對切削用量的影響及其與材料去除率的關(guān)系[7]。王曉琴對鈦合金TC4在高效切削時的刀具磨損及壽命進行了深入了研究，發(fā)現(xiàn)刀具與工件、切屑接觸以粘結(jié)為主，摩擦溫度隨切削速度增加而增加，硬質(zhì)合金的磨損是粘著、擴散、氧化、剝落以及破損的綜合結(jié)果，并且通過仿真及試驗證明了刀具刃口的磨損會造成主切削力的迅速增大[8]。李興泉采用法國FOREST-LINE公司生產(chǎn)的三坐標(biāo)龍門銑V2-3500B作為試驗機床粗加工鈦合金，應(yīng)用陜硬無涂層刀具時，最大材料去除率達到10.08cm3/min，應(yīng)用日本黛杰工業(yè)株式會社的整體涂層硬質(zhì)合金刀具時，最大材料去除率達到60.80cm3/min，應(yīng)用瑞典山高公司的鑲齒涂層刀具時，最大材料去除率在14.90cm3/min[9]。國內(nèi)的航空企業(yè)鈦合金粗加工材料去除率通常在25～35cm3/min。本文面向?qū)嶋H生產(chǎn)，以沈陽中捷機床VMC25100u為試驗機床，以中航工業(yè)陜西硬質(zhì)合金工具公司的整體鑲齒硬質(zhì)合金刀具為加工試驗刀具，以民機C919吊口框為試驗工件，開展了基于國產(chǎn)裝備的鈦合金TC4高效切削試驗研究。

表1Ti6Al4V的化學(xué)成份

TiAlVFeCNHO其他元素單個總和余量5.5～6.83.4～4.50.300.100.050.0150.200.100.40

表2Ti6Al4V的力熱性能

彈性模量E/GPa屈服強度σb/MPa剪切強度τ/MPa密度ρ/(kg/m3)泊松比ν熱導(dǎo)率λ/(W/m·℃)比熱容C/(J/kg·℃)10996365644400.346.8611

1　試驗準(zhǔn)備

1.1工件材料屬性

本試驗選用民機C919吊口框為加工對象，材料為TC4，屬于(α+β)鈦合金，鍛造處理，普通退火，材料規(guī)范服從CMS-Ti-203，材料外廓尺寸為800mm×300mm×250mm，其零件模型及毛坯模型如圖1所示。從毛坯與零件的對比圖可以看出，材料去除量極大。材料的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。

1.2刀具信息

粗加工刀具選用中航工業(yè)陜西硬質(zhì)合金工具公司的整體鑲齒硬質(zhì)合金立銑刀，無涂層，代號1251-2641-4，直徑40mm，4齒，刀具總長255mm，切削總長110mm，切削刃長90mm，底角半徑4mm。

1.3機床性能

機床工作臺尺寸2 000mm×800mm，承重5 000kg，主軸最大轉(zhuǎn)速4 000r/min，最大扭矩882N·m，最大功率30kW，A軸、B軸的最大擺角均為±30°，可適用于本試驗的5軸工件加工。

2　試驗方案

由圖1可知，工件的結(jié)構(gòu)基本對稱。在本試驗中，選擇工件的右半部分進行切削試驗研究。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征及航空結(jié)構(gòu)件的實際加工狀態(tài)，擬從以下3方面開展試驗：

(1)不同冷卻方式的試驗。在風(fēng)冷、風(fēng)冷+冷卻水、乳化液3種冷卻方式下，進行大切削量試驗，分析刀具的磨損狀態(tài)及工件表面質(zhì)量情況。

(2)扭曲曲面優(yōu)化處理及加工。鈦合金多用于飛機結(jié)構(gòu)件的梁、框、接頭等，而這些零件大多是5軸類零件，且常有復(fù)雜曲面。因此，本文以吊口框的典型曲面為例，采用三軸和五軸加工相結(jié)合的工藝方法，通過對扭曲曲面的重構(gòu)，開展曲面的高效切削試驗。

(3)高效切削試驗?；诠ぜY(jié)構(gòu)特征，結(jié)合國產(chǎn)裝備性能，突破傳統(tǒng)模式切削參數(shù)，開展大切深大切寬試驗，分析材料去除率及工件表面質(zhì)量。

3　試驗結(jié)果與分析

3.1不同冷卻狀況下的刀具磨損與分析

圖2是在風(fēng)冷干銑情況下的刀具磨損圖。壓縮空氣為6Pa，刀具切削時間僅為0.5h，切削過程中，切削底刃出現(xiàn)紅熱狀態(tài)，從圖中可以看出，刀具出現(xiàn)了崩刃、脫落、破損情況，且刀體下半部分呈暗紅色，說明在切削過程中，刀具持續(xù)處于高溫狀態(tài)。圖3是風(fēng)冷+冷卻水切削情況下的刀具磨損圖。此種情況下，冷卻并不充分，刀具持續(xù)切削時間為1.3h，可以看到刀具底刃磨損嚴(yán)重，側(cè)刃出現(xiàn)了氧化、腐蝕現(xiàn)象，這是由于大量切屑堆積于切削刃附近、熱量不易排出所致，同時在側(cè)刃出現(xiàn)了微小的崩刃。圖4是由于冷卻不充分而使得在切削過程中產(chǎn)生大量的熱量將冷卻水霧化的現(xiàn)象圖。圖5是應(yīng)用乳化液充分冷卻的情況下的加工現(xiàn)狀圖。刀具持續(xù)切削時間累積約31h，完成工件試驗部分的整個粗加工過程。發(fā)現(xiàn)刀具磨損均勻，在此冷卻情況下尚能用于鈦合金的粗加工。

3.2扭曲曲面重構(gòu)與加工

圖6中B處是被加工的扭曲曲面，它分別與A處5軸面和C處3軸面相切連接，傳統(tǒng)的加工方法是根據(jù)A、B、C面做面偏置加工，需要機床主軸頭頻繁、連續(xù)擺動加工，且毛料去除量極大，加工效率極低。本試驗方案是選擇A、B、C面上邊界做三軸投影，通過定軸方式完成曲面的大余量切削，余量1mm，原因是三軸方式可以充分發(fā)揮機床固有剛性，提高主軸轉(zhuǎn)速和進給速度；然后通過面偏置形式完成曲面的半精加工，為了保證扭曲曲面的加工精度，各曲面余量均為0.5mm，易于實現(xiàn)曲面精加工時切削力的穩(wěn)定。在曲面精加工仿真時發(fā)現(xiàn)，曲面出現(xiàn)了刀軸擺動所留下的變軌紋路，如下圖7所示。在對模型剖解分析后認(rèn)為，飛機零件設(shè)計人員在設(shè)計零件模型時僅考慮結(jié)構(gòu)形狀，忽略了零件加工所需的曲面光滑銜接、整體面片，因此，為了能加工出光滑曲面，對扭曲面B進行了重構(gòu)，在此曲面上下各取5點，通過三次樣條曲線擬合曲面，不僅保證各節(jié)點間相切，同時保證此曲面與相鄰兩面相切，通過combinparelm5軸加工方式，加工出的曲面如圖7所示。

3.3粗加工高效切削結(jié)果與分析

在應(yīng)用國產(chǎn)刀具情況下，結(jié)合鈦合金工件結(jié)構(gòu)與切削經(jīng)驗，為了最大限度發(fā)掘國產(chǎn)機床的切削性能，制定了切削參數(shù)試驗表3。試驗結(jié)果表明，在試驗1組和2組切削參數(shù)下，機床主軸頭抖動劇烈，切削過程極其不穩(wěn)定，出現(xiàn)“碰切”現(xiàn)象，此時材料去除率達到90cm3/min，說明機床尚不完全具備在此情況下的大去除量切削。在試驗3組情況下，機床主軸頭抖動仍然明顯，說明抖動與切削深度關(guān)系不大，在試驗4組和5組中，隨著主軸轉(zhuǎn)速的降低，機床抖動幅度也隨之減小，切削過程趨于穩(wěn)定。試驗6組和7組均能穩(wěn)定切削，因此，選用第6組應(yīng)用于工件的切削，其粗加工材料去除率達到了75cm3/min，相比國內(nèi)航空企業(yè)鈦合金粗加工材料去除率，提高2.1～3倍。圖8和圖9分別是第6組試驗加工情況圖和工件加工后的效果圖。

4　結(jié)語

基于國產(chǎn)裝備，以民機C919吊口框為試驗零件，開展了航空鈦合金TC4的高效切削試驗研究，得出如下結(jié)論：

表3切削參數(shù)試驗表

組號主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)進給速度/(mm/min)切削深度/mm切削寬度/mm1360240755230024075533002401054280220755526020075562202007557200180755

(1)冷卻對鈦合金加工非常重要。風(fēng)冷不利于鈦合金切削，嚴(yán)重影響刀具磨損及壽命；冷卻水容易導(dǎo)致刀具氧化、腐蝕，影響刀具壽命；采用充分的乳化液冷卻，可以延長刀具壽命，易于實現(xiàn)高效切削。

(2)扭曲曲面的3軸+5軸方案切削，可以提高曲面的加工效率，通過對航空工件的曲面重構(gòu)，可以提高工件的加工精度。

(3)選擇合理的切削參數(shù)，可以充分發(fā)揮國產(chǎn)機床及刀具的切削性能，材料去除率能夠達到75cm3/min。

[1]HuangPanling,LiJianfeng,SunJie,etal.Studyonperformanceindrymillingaeronauticaltitaniumalloythin-wallcomponentswithtwotypesoftools[J].JournalofCleanerProduction, 2014,67:258-264.

[2]YangDong,LiuZhanqiang.StudytopographyanalysisandcuttingparametersoptimizationforperipheralmillingtitaniumalloyTi-6Al-4V[J].JournalofRefractoryMetalsandHardMaterials, 2015,51:192-200.

[3]MartinBaker.Finiteelementsimulationofhigh-speedcuttingforces[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2006,176(1-3):117-126．

[4]劉勝.鈦合金正交切削的溫度場和切削力仿真與試驗研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[5]WangZG，RahmanM,WongYS，eta1．Studyonorthogonalturningoftitaniumalloyswithdifferentcoolantsupplystrategies[J]．InternationalJournalofAdvancedManufacturingandTechnology，2009，42(7-8)：621-632.

[6]MasafumiKikuchi.Theuseofcuttingtemperaturetoevaluatethemachinabilityoftitaniumalloys[J].ActaBiomaterialia, 2009,5(2):770-775.

[7]范依航. 高效切削鈦合金刀具磨損特性及切削性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2011.

[8]王曉琴. 鈦合金Ti6Al4V高效切削刀具摩擦磨損特性及刀具壽命研究[D].濟南：山東大學(xué),2009.

[9]李興泉.航空鈦合金結(jié)構(gòu)件高效銑削工藝研究[D].沈陽：東北大學(xué),2010.

(編輯汪藝)

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Experimental investigation on high efficiency milling oftitaniumalloyTC4withdomesticequipment

LI Liangliang①, LI Pengfei②, DU Baorui①, CHU Hongzhen①

(①TechnologyCenter,ShenyangAircraftCorporation,Shenyang110850,CHN;②SchoolofMechanicalEngineering&Automation,NortheasternUniversity,Shenyang110004,CHN)

TitaniumalloyTC4iswidelyusedintheaviationduetoitsexcellentcombinationofproperties,however,themachiningefficiencyislow.Inthepaper,forthepartofcivilianaircraft,experimentalinvestigationonhighefficiencymillingofTC4iscarriedoutwithhomemadeequipment,andtheresultshowsthatemulsionliquidisbetterfortheemissionofcuttingheat,andthetoolwearissmaller,thetoollifeisprolonged;themillingefficiencyisimprovedbycombiningthe3-axisand5-axismachiningschemeforthecurveofaviationparts;surfacequalityisbetterusingthereconstructionofcurvesurface;theperformanceofhomemadeequipmentcanbeexertedsufficientlyusingrationalcuttingparameters,andmaterialremovalrateachievesto75cm3/min.

TC4;milling;toollife;machiningcurvesurface;materialremovalrate

V262.3+3

A

李亮亮，男，1986年生，碩士研究生，工程師，主要從事航空鈦、鋁合金高效切削加工及動力學(xué)仿真技術(shù)研究。

2015-09-08)

160330

*“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(2014ZX04001051)