劉 東 王 放 王建民 薛 源 薛 晶

0 引言

鈦合金因具有高比強(qiáng)度、高比模量、低線脹系數(shù)、耐沖擊、耐磨，耐熱等優(yōu)良性能［1］而應(yīng)用廣泛。但鈦合金難加工［2］，在實(shí)際切削加工中，刀具耐用度低，刀具磨損嚴(yán)重，加工成本高，大大的阻礙了這類材料的應(yīng)用與推廣［3］。鈦合金TB6是一種高韌、高強(qiáng)并且擁有優(yōu)秀熱加工性的近β型鈦合金，和同強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼或其他一些鈦合金相比可大大降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量［4］。

在金屬切削加工過程中，刀具磨損是人們普遍關(guān)注的一個問題［5］。因?yàn)樗婕暗胶芏喾矫娴膯栴}，對刀具壽命、加工的經(jīng)濟(jì)性、加工精度、加工工件的表面質(zhì)量、可靠性等方面都有很大影響。國內(nèi)外很多學(xué)者都對切削時刀具磨損進(jìn)行了大量研究。ATTANA?SIO等對硬質(zhì)合金刀具切削AISI1045時的刀具磨損進(jìn)行了預(yù)測［6］。FILICE等對切削中碳鋼時刀具磨損情況進(jìn)行了預(yù)測［7］。鄭敏利等使用未涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行鈦合金外圓切削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)刀具的磨損以擴(kuò)散磨損、粘連磨損為主，且隨切削速度和進(jìn)給量的增大，刀具磨損加?。?］。陳燕等使用軟件對高速切削鈦合金TC4時的刀具磨損進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)隨切削速度增加刀具磨損加快，且切削速度為300 m／min 時刀具壽命僅為 130 m／min 的 1／3［9］。

本文通過在不同切削參數(shù)下對鈦合金TB6進(jìn)行干式正交切削試驗(yàn)，對比分析不同切削參數(shù)下的刀具磨損情況，并用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析得到刀具磨損的回歸公式，為優(yōu)化切削參數(shù)、提高刀具耐用度，降低加工成本提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、刀具廠商推薦值等綜合考慮選定9組銑削參數(shù)，進(jìn)行正交切削實(shí)驗(yàn)，銑削方式為順銑。使用9把相同刀具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)推薦的的耐用度實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，選取后刀面磨損量VB＝0.25～0.3 mm 作為刀具的磨損標(biāo)準(zhǔn)。 使用顯微照相機(jī)檢測刀具的磨損情況，按實(shí)驗(yàn)預(yù)定的銑削參數(shù)加工工件，每隔一定時間停止加工，拍攝實(shí)驗(yàn)過程中刀具后刀面磨損圖像，在軟件中處理磨損圖像，可得到當(dāng)前刀具磨損情況。

采用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，四個因素為銑削速度、每齒進(jìn)給量、切削深度，切削寬度。各因素水平見表1。

表1 切削因素水平表Tab.1 Cutting factor and level table

1.2 加工機(jī)床和加工刀具

圖1為實(shí)驗(yàn)所用機(jī)床MVC1000，圖2為實(shí)驗(yàn)所用硬質(zhì)合金刀具，55°整體合金立銑刀，φ6R0.5×15×φ6×50L×55°×4T。

圖1 實(shí)驗(yàn)用機(jī)床Fig.1 Experimental machine

圖2 實(shí)驗(yàn)用刀具Fig.2 Experimental tool

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用TB6長方體材料，又稱Ti－1023（典型的近 β 型鈦合金），名義成分為 Ti－10V－2Fe－3Al。其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表2表3所示。

表2 TB6鈦合金化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of TB6 titanium alloy wt%

表3 TB6鈦合金的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of TB6 titanium alloy

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器

使用顯微照相機(jī)測量刀具的磨損情況。照相機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，使用相關(guān)軟件可將刀具磨損情況放大，便于在計(jì)算機(jī)上觀察。將照相機(jī)固定在機(jī)床上，并將裝夾好的刀具移到適當(dāng)位置，記錄當(dāng)前坐標(biāo)。經(jīng)過一定時間的切削后，暫停切削，將刀具移到預(yù)先記錄的坐標(biāo)處，使用照相機(jī)觀察并記錄磨損情況。如未達(dá)到預(yù)定磨損量可繼續(xù)切削一定時間后，暫停切削再次將刀具移到預(yù)先記錄的坐標(biāo)處，觀察磨損情況，直至刀具達(dá)到預(yù)定磨損量為止。

1.5 測試標(biāo)準(zhǔn)

在評定刀具材料切削性能和研究試驗(yàn)時，都以刀具表面的磨損量作為衡量刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。國際ISO推薦的刀具耐用度磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為后刀面磨損量：VB＝0.3 mm，在實(shí)際應(yīng)用經(jīng)常根據(jù)所加工材料和刀具的具體情況在025～0.3 mm之間選擇。由于鈦合金為難加工材料，加工過程中刀具破壞形態(tài)比較復(fù)雜，所

以在本次試驗(yàn)中取后刀面磨損量VB＝0.26 mm作為本次試驗(yàn)的磨損標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與討論

按照指定的實(shí)驗(yàn)方案，在每組切削參數(shù)下，以后刀面磨損量VB＝0.26 mm作為刀具的磨損標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出每組所需要的切削時間并記錄（表4）。實(shí)驗(yàn)所用試件為一長方體鈦合金，切削時沿一個方向進(jìn)行多次重復(fù)切削，記錄下每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)切削次數(shù)和時間，當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p量0.26 mm時停止切削，此時所切削的時間即為刀具耐用度。

表4 刀具耐用度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表Tab.4 Experimental results of tool durability

圖3為某一次顯微照相機(jī)通過計(jì)算機(jī)對切削時刀具磨損情況的測量，刀尖處白亮帶為刀具磨損，通過計(jì)算機(jī)測量其寬度。

圖3 刀具后刀面磨損Fig.3 Tool wear of the flank face

使用spss對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到刀具耐用度的回歸方程：

回歸公式的模型誤差如表5所示，可以看出回歸方程R方差及調(diào)整R方差均在0.9以上，能夠很好地對刀具耐用度進(jìn)行預(yù)測。

表5 模型誤差匯總Tab.5 Error of the model

通過圖4～圖7幾幅散點(diǎn)圖，可以看出，切削深度和切削寬度與時間的線性關(guān)系不顯著，而進(jìn)給量和切削速度與時間的線性關(guān)系較為顯著。

圖4 銑削深度與耐用度回歸殘差散點(diǎn)圖Fig.4 Regression residual scatter plot of depth of cut and cutting time

圖5 銑削寬度與耐用度回歸殘差散點(diǎn)圖Fig.5 Regression residual scatter plot of width of milling and cutting time

圖6 進(jìn)給量與耐用度回歸殘差散點(diǎn)圖Fig.6 Regression residual scatter plot of feed speed and cutting time

圖7 切削速度與耐用度回歸殘差散點(diǎn)圖Fig.7 Regression residual scatter plot of cutting speed and cutting time

3 結(jié)論

通過研究不同切削參數(shù)下切削鈦合金TB6時刀具的磨損情況，得出以下結(jié)論：

（1）在不同切削參數(shù)下的刀具主要磨損位置相似，大都出現(xiàn)在后刀面位置，前刀面磨損較后刀面不明顯。后刀面的磨損大都呈現(xiàn)一條帶狀磨損帶，且隨速度增大磨損帶會變長。在速度增大時，刀具易發(fā)生脆性破損，且在刀具表面會出現(xiàn)鈦合金粘連。

（2）通過本次試驗(yàn)可以看出，在TB6銑削加工時，切削速度、進(jìn)給量，切削寬度和切削深度都會影響刀具耐用度。而對耐用度的影響較大的是切削速度，，其次分別為進(jìn)給量、切削寬度和切削深度。

（3）通過實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)用軟件進(jìn)行回歸分析，得到了刀具磨損時間回歸方程，且可靠性良好。

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