秦錄芳，孫濤，傅玉燦

1徐州工程學院機電工程學院；2南京航空航天大學機電學院

1 引言

損傷容限型鈦合金TC21優(yōu)秀的力學性能(高韌性、低疲勞裂紋擴展速率、良好熱穩(wěn)定性、較高的高溫靜強度等)和使用性能(熱處理工藝簡單、可鍛性好、焊接性能優(yōu)秀等)使其廣泛用于制造新型戰(zhàn)機中重要的承力部件(如起落架、框架等)。

相對于航空航天廣泛使用的TC4鈦合金，TC21具有更高的力學性能指標(如強度、硬度、沖擊韌性和斷面收縮率)和更低的導熱率及不同的金相組織，這導致TC21的切削加工性低于TC4[1]。TC21鈦合金的車削和銑削研究表明[2，3]，加工TC21的刀具耐用度低于車削TC4，加工質(zhì)量難以保證，其中過高的切削力和切削溫度是導致TC21切削加工性差的主因。

正交車銑通過工件低速旋轉(zhuǎn)、銑刀高速旋轉(zhuǎn)和沿工件軸向運動這三種運動過程的聯(lián)動，實現(xiàn)材料的高效精密加工，并廣泛用于切削航空航天難加工材料的大型結(jié)構(gòu)件[4]。研究表明[5-9]，相對于車削，正交車銑具有斷屑容易、表面粗糙度值小和利于降溫等優(yōu)點。然而，上述研究沒有在同等加工效率條件下綜合評斷車削和正交車銑的切削加工性，難以為正交車銑的加工優(yōu)勢提供理論依據(jù)。

鑒于此，本文采用單因素切削試驗法，在正交車銑的材料去除率大于車削的情況下，從切削力、切削溫度、刀具耐用度和已加工表面完整性等方面綜合進行TC21鈦合金車削和正交車銑的切削加工性研究，探討TC21正交車銑相對于車削的加工優(yōu)勢成因，以期為提高TC21鈦合金等難加工材料的加工效率和加工質(zhì)量提供試驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

2 試驗條件

2.1 試驗材料、刀具、機床和設(shè)備

試驗采用直徑80mm的TC21鈦合金棒料，其主要性能為強度極限σb=1174MPa，斷面收縮率ψ=11.3%，沖擊韌性αKU=51.5J/cm2，400℃時的導熱率θ=9.3W/(m·℃)，金相組織為網(wǎng)籃組織。

車削和正交車銑都采用Sandvik公司的TiAlN涂層刀具(基體為硬質(zhì)合金)。其中，車削刀片型號為SNMG 12 04 04-SM 1105；正交車銑刀具包括R390-020A22-11M刀柄(可裝3個刀片)和R390-11T308E-PLW1130刀片，刀具直徑為20mm。

試驗機床包括數(shù)控車床(車削試驗)和MAZAK INTEGREX 200-IVST車銑復合加工中心(正交車銑試驗)。

試驗儀器包括Kistler 9272A測力儀(車削測力)、Kistler 9171A測力儀(正交車銑測力)、Mahr M1粗糙度儀、KH-7700三維視頻顯微鏡(觀測刀具磨損量和金相組織)和HXS-1000A數(shù)顯顯微硬度計(測量顯微硬度)。試驗測溫采用自然熱電偶測溫法和紅外熱成像對比標定法[1](車削測溫)和導電滑環(huán)測溫法[10](正交車銑測溫)，

2.2 試驗參數(shù)

正交車銑加工涉及的切削參數(shù)見圖1。根據(jù)銑刀中心面和工件中心面在yw軸上的方向和距離，偏心距e分為正偏心、無偏心和負偏心。試驗切削參數(shù)見表1。

圖1 正交車銑的切削參數(shù)

車削切削參數(shù)取值切削速度v(m/min)80,100,120切削深度ap(mm)0.3,0.6,0.1每轉(zhuǎn)進給量f(mm/r)0.05,0.1,0.15正交車銑切削參數(shù)取值偏心量e(mm)-8,0,8銑刀轉(zhuǎn)速nt(r/min)1500,2000,2500工件轉(zhuǎn)速nw(r/min)2,5,8軸向進給量fa(mm/r)2,4,6切削深度ap(mm)0.5,1,1.5

2.3 切削力、切削溫度和刀具耐用度

車削TC21鈦合金時，各切削參數(shù)對切削力合力F和切削溫度的影響見圖2。

圖2車削參數(shù)對切削力和切削溫度的影響

精車TC21鈦合金時的刀具耐用度試驗表明，各切削參數(shù)對刀具耐用度的影響都很明顯，較高的切削參數(shù)會加速刀具磨損(見圖3，圖中VB表示刀具后刀面磨損量，t表示刀具切削時間)。v，ap和f越大，切削力和切削溫度越高(見圖2)，過高的切削力和切削溫度導致涂層性能減弱、刀具磨損加快。由圖可知，合理的切削參數(shù)范圍是v=80m/min～100m/min，ap=0.3mm～0.6mm，f=0.05mm/r ～0.1mm/r，對應(yīng)的刀具耐用度約為22min～63min。

圖3車削參數(shù)對刀具磨損的影響

正交車銑通過銑刀高速旋轉(zhuǎn)和工件低速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)高速切削，有利于降低切削力，其斷續(xù)切削的方式亦利于排屑和降溫，從而降低切削溫度，兩者耦合作用使得TC21正交車銑加工時的切削力和切削溫度小于TC21車削(見圖2、圖4和圖5)。

正交車銑逆銑加工的切屑由薄變厚，相對于順銑加工的切屑(由厚變薄)，不利于減小刀刃切入工件時的擠壓和摩擦，故正交車銑逆銑的切削力和切削溫度都高于順銑，逆銑的刀具耐用度低于順銑(見圖4)?；诖?，后續(xù)試驗皆采用順銑方式。

fa=4mm/r,ap=0.5mm,nt=2000r/min,nw=5r/min(a)切削力和切削溫度影響(b)切屑形狀

fa=4mm/r，ap=0.5mm，e=-8mm，nt=2000r/min，nw=5r/min(c)刀具耐用度影響

偏心距e為負值、0和正值三種情況下的切削力、切削溫度、切屑形狀和刀具耐用度見圖5。

fa=4mm/r，ap=0.5mm，nt=2000r/min，nw=5r/min

圖5正交車銑偏心量e的影響

圖5e為負值時，只有側(cè)刃參與切削形成切屑，故切削力和切削溫度產(chǎn)生于側(cè)刃；e為正值時，底刃形成的切屑遠大于側(cè)刃，故切削力和切削溫度主要產(chǎn)生于底刃；e為0時，側(cè)刃形成的切屑大于底刃，故切削力和切削溫度產(chǎn)生于側(cè)刃和底刃。底刃越靠近銑刀中心，切削速度越低，底刃摩擦阻力越大，故導致e為正值時的切削力和切削溫度在上述三種情況下最大。

e=-8mm時，只有側(cè)刃參與切削，故刀具磨損分布在側(cè)刃，由于其切削力和切削溫度最小，故刀具磨損最慢，刀具耐用度最高。e=0mm時，側(cè)刃和底刃都參與切削，故切削力分布在側(cè)刃、刀尖和底刃，相對于e=-8mm和e=8mm，e=0mm時的切削力和切削溫度雖然不是最大，但刀尖處應(yīng)力集中的特性加上承受較大切削力，導致刀尖處容易產(chǎn)生破損，所以刀具耐用度最低?；诖?，后續(xù)試驗皆采用負偏心距(e=-8mm)。

銑刀轉(zhuǎn)速nt越高，轉(zhuǎn)速比λ越大(λ=nt/nw)，使切屑體積減小有利于降低切削力。而nt上升使得斷續(xù)切削造成的切削力沖擊增加，增大了切削力。兩者綜合作用導致切削力隨nt的增大而緩慢上升。切削力增加會導致銑削功增大，所產(chǎn)生的熱量增加。此外，nt越高，會加劇銑刀后刀面和已加工表面、銑刀前刀面和切屑之間的摩擦，導致切削溫度隨著銑刀轉(zhuǎn)速提高而上升的趨勢高于切削力上升的趨勢(見圖6a)。隨著銑刀轉(zhuǎn)速的增大，切削力和切削溫度上升趨勢較緩，導致相應(yīng)的刀具耐用度下降不顯著(見圖7a)。

fa=4mm/r,ap=0.5mm,nw=5r/min,e=-8mm(a)銑刀轉(zhuǎn)速ntfa=4mm/r,ap=0.5mm,nt=2000r/min,e=-8mm(b)工件轉(zhuǎn)速nw

ap=0.5mm,e=-8mm,nw=5r/min,nt=2000r/min(c)軸向進給量fafa=4mm/r,e=-8mm,nw=5r/min,nt=2000r/min(d)切削深度ap

圖6正交車銑切削參數(shù)對切削力和切削溫度的影響

工件轉(zhuǎn)速nw越高，轉(zhuǎn)速比λ越小(λ=nt/nw)，使切屑體積減大導致切削力增大。另外，nw上升使得斷續(xù)切削造成的切削力沖擊增加，增大了切削力。兩者綜合作用導致切削力隨nt的增大而顯著上升，而切削力的顯著增大導致切削溫度上升明顯(見圖6b)。隨著工件轉(zhuǎn)速提高，顯著上升的切削力和切削溫度導致刀具磨損加劇，耐用度下降顯著(見圖7b)。

ap=0.5mm,e=-8mm,nw=5r/min,nt=2000r/min(a)銑刀轉(zhuǎn)速ntfa=4mm/r,ap=0.5mm,nt=2000r/min,e=-8mm(b)工件轉(zhuǎn)速nw

ap=0.5mm,e=-8mm,nw=5r/min,nt=2000r/min(c)軸向進給量fafa=4mm/r,e=-8mmnw=5r/min,nt=2000r/min(d)切削深度ap

圖7正交車銑參數(shù)對刀具磨損的影響(單刀片)

軸向進給量fa和切削深度ap對切削力、切削溫度和刀具耐用度的影響見圖6c、圖6d、圖7c和圖7d。fa和ap越大，切屑體積越大，切削力和切削溫度顯著增加，導致刀具磨損加快，刀具耐用度顯著下降。由圖可見，TC21鈦合金正交車銑精加工時，合理的切削參數(shù)范圍是nt=1500～2500r/min，nw=2～5r/min，fa=2～4mm/r，ap=0.5～1mm，對應(yīng)的刀具耐用度約為33min～92min。

為了進一步探討TC21車削和正交車銑在相同材料去除率Q下刀具耐用度T的情況，按正交車銑實際加工工況安裝3個刀片，試驗時統(tǒng)計的刀具耐用度為最先達到刀具失效標準的刀片。正交車銑和車削加工刀具耐用度對比試驗結(jié)果見圖8，其中車削1和車削2為車削TC21鈦合金時刀具耐用度較長的兩種情況下所對應(yīng)的切削參數(shù)，其耐用度分別為63min和22min，對應(yīng)的材料去除率分別為3cm3/min和4.8cm3/min；正交車銑對應(yīng)的刀具耐用度和材料去除率分別為79min和5cm3/min。

上述研究表明，相對于車削，正交車銑通過工件低速旋轉(zhuǎn)和銑刀高速旋轉(zhuǎn)易于實現(xiàn)高速切削，從而降低切削力，同時也利于切屑帶走大部分切削熱。此外，正交車銑的斷續(xù)切削也有利于刀具冷卻。在材料去除率大于車削的情況下，上述有益效果使正交車銑的切削力和切削溫度小于車削，其刀具耐用度大于車削。

正交車銑：fa=4mm/r，ap=1mm，nt=2000r/min，nw=5r/min，e=-8mm車削1：v=100m/min，ap=0.6mm，f=0.05mm/r車削2：v=80m/min，ap=0.6mm，f=0.1mm/r

3 已加工表面完整性

3.1 表面粗糙度

精車TC21鈦合金時的已加工表面粗糙度試驗所對應(yīng)的表面粗糙度Ra范圍是0.4μm ～1.2 μm(見圖9)。

ap=0.6mm,f=0.1mm/r(a)銑刀轉(zhuǎn)速ntv=100m/min,f=0.1mm/r(b)工件轉(zhuǎn)速nw

v=100m/min，ap=0.6mm
(c)每轉(zhuǎn)進給量f

圖9車削參數(shù)對已加工表面粗糙度的影響

按實際加工工況裝3個刀片，正交車銑精加工時，切削深度常取固定值ap=1mm，最終正交車銑切削參數(shù)對已加工表面粗糙度Ra的影響見圖10?？芍?，偏心量e絕對值越大，切削力越小，Ra隨之下降。銑刀轉(zhuǎn)速不變的情況下，工件轉(zhuǎn)速nw增大，一方面導致機械沖擊次數(shù)增多和切削力增大，另一方面使得切屑體積增大，導致切削力和切削溫度增大，兩者綜合作用導致Ra增大。軸向進給量fa越大，切屑體積越大，相應(yīng)切削力和切削溫度越高，Ra亦增大。結(jié)果表明，正交車銑TC21鈦合金時的已加工表面粗糙度Ra范圍是0.12μm ～0.53μm。

fa=0.6mm,nt=2000r/min,nw=5r/min(a)銑刀轉(zhuǎn)速ntfa=0.6mm,nt=2000r/min,e=-8mm(b)工件轉(zhuǎn)速nw

e=-8mm，nt=2000r/min，nw=5r/min
(c)軸向進給量fa

圖10正交車銑時切削參數(shù)對已加工表面粗糙度的影響

當車削參數(shù)為v=100m/min，ap=0.6mm，f=0.05mm/r時，對應(yīng)的刀具耐用度和材料去除率分別63min和3cm3/min，對應(yīng)本車削試驗最小的Ra=0.4μm(見圖3c和圖9c)。正交車銑切削參數(shù)為e=-8mm，nt=2000r/min，nw=5r/min，fa=4mm/r，ap=1mm時，對應(yīng)的刀具耐用度和材料去除率分別為79min和5cm3/min(見圖8)，而Ra=0.27μm(見圖10c)，小于車削能獲得的最小表面粗糙度值。這表明，相對于車削，正交車銑在刀具耐用度和材料去除率都大于車削的情況下，依然可以獲得低于車削的表面粗糙度。通過增大偏心量和轉(zhuǎn)速比、減小軸向進給量，正交車銑容易獲得更低的加工表面粗糙度。

3.2 金相顯微組織

TC21鈦合金車削和正交車銑的已加工表面金相顯微組織見圖11。其中，圖11a對應(yīng)的車削參數(shù)為v=100m/min，ap=0.6mm，f=0.1mm/r，刀具耐用度T=4.5min，此切削參數(shù)下，較高的切削溫度加劇了已加工表面層的塑性變形，晶粒沿f(車削進給)方向出現(xiàn)扭曲變形和晶粒撕裂。圖11b對應(yīng)的車削切削參數(shù)為v=100m/min，ap=0.3mm，f=0.1mm/r，刀具耐用度T=47min，此切削參數(shù)下，刀具耐用度較長，表明切削溫度不高，已加工表層未發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒變形。

安裝3個刀片時，圖11c對應(yīng)的正交車銑切削參數(shù)為e=-8mm，nt=2000r/min，nw=8r/min，fa=4mm/r，ap=1mm，刀具耐用度T=59min；圖11d對應(yīng)的正交車銑切削參數(shù)為e=-8mm，nt=2000r/min，nw=5r/min，fa=2mm/r，ap=1mm，刀具耐用度T=127min。較高的切削力和切削熱是導致鈦合金材料已加工表層中的晶粒產(chǎn)生拉伸、扭曲和撕裂等變形的主因。相對于車削，正交車銑切削力和切削溫度不高。因此，正交車銑加工時，無論刀具耐用度長或短，對應(yīng)的已加工表層均未發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒變形。

圖11車削已加工表面的金相顯微組織

3.3 加工硬化

TC21鈦合金車削和正交車銑已加工表面的顯微硬度見圖12。TC21鈦合金基體的顯微硬度約為340～370HV，車削參數(shù)為v=80m/min，ap=0.6mm，f=0.1mm/r時，刀具耐用度T=22min，硬化層顯微硬度范圍在383～392HV，硬化層深度約為30μm；當T=63min時，對應(yīng)切削參數(shù)為v=100m/min，ap=0.6mm，f=0.05mm/r，此時硬化層顯微硬度在333～367HV范圍，硬化層深度約為20μm(見圖12a)。表明，提高T刀具耐用度會相應(yīng)降低切削溫度，工件塑性變形越小，加工硬化越不明顯。

正交車銑時，無論切削參數(shù)對應(yīng)的刀具耐用度T低(T=59min)或高(T=127min)，由于正交車銑加工時切削力和切削溫度不高，所以已加工表面顯微硬度都在TC21鈦合金基體硬度范圍內(nèi)(見圖12b)。這表明相對于車削，正交車銑在加工鈦合金材料時可以有效減少加工硬化。

圖12 車削已加工表面的顯微硬度

4 結(jié)語

(1)相對于車削TC21鈦合金，正交車銑通過工件低速旋轉(zhuǎn)和銑刀高速旋轉(zhuǎn)易于實現(xiàn)高速切削，從而降低切削力，同時也利于切屑帶走大部分切削熱，而正交車銑的斷續(xù)切削也有利于刀具冷卻。上述有益效果使得在材料去除率大于車削的情況下，正交車銑的切削力和切削溫度小于車削，其刀具耐用度大于車削，并可獲得優(yōu)于車削的已加工表面完整性，即更小的已加工表面粗糙度值、已加工表面金相組織中未發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒變形和加工硬化。

(2)TC21鈦合金車削時，刀具耐用度越低，對應(yīng)的切削力和切削溫度越高，導致已加工表面金相組織中晶粒變形程度和加工硬化程度越大。TC21鈦合金正交車銑時，刀具耐用度低或高，對應(yīng)的切削力和切削溫度變化不大，所以已加工表面金相組織中未發(fā)現(xiàn)明顯的晶粒變形和加工硬化。

(3)正交車銑時，應(yīng)選擇順銑和負偏心量，有利于減小切削力和切削溫度，提高刀具耐用度。其它切削參數(shù)中，工件轉(zhuǎn)速和軸向進給量對切削溫度、切削力和刀具耐用度的影響顯著，切削深度次之，銑刀轉(zhuǎn)速的影響程度最小。