葛傳志，朱留憲，楊林嵩

1四川省高溫合金切削工程技術實驗室；2西南交通大學；3四川工程職業(yè)技術學院機電工程系

1 引言

鈦合金因具有強度高、耐蝕性及耐熱性高等特點而被廣泛用于航空航天領域。但是其屬于難加工材料和典型的粘性材料，因此具有導熱系數(shù)小，彈性模量小等特點[1，2]，導致刀具磨損嚴重，國內外很多學者對切削鈦合金進行了深入研究[3-8]。

加工鈦合金的刀具一般有四種：高速鋼刀具、硬質合金鋼刀具、涂層刀具及超硬刀具，價格依次遞增。本文采用以W18CR4V高速鋼為基體的切削刀具，通過控制刀具幾何角度參數(shù)(刀具角度)，同時可微調切削圓柱弧面徑向半徑。刀具采用單刃口并聯(lián)加工，表面精度可達到Ra1.6μm，加工工件效果完全等同于涂層刀具和超硬刀具加工效果，且成本大大降低，可大規(guī)模批量投入生產加工。

切削加工圓弧形槽過程中的清根十分困難，往往會因為加工過程中圓角過大導致裝配過程失敗，因此，保證兩端面與圓弧面垂直度效果對清根非常重要。可通過刃傾角和主后角配合進行強化清根，且副后角有利于高效排屑。

2 刀具形狀及參數(shù)設計

如圖1所示，銑刀的刀柄尺寸為16mm×15mm×12mm，刀頭寬度2mm，刀片采用W18CR4V高速鋼，其抗彎強度為2.7～3.8GPa，沖擊韌度0.23～0.30J/cm2，具有較高的常溫和高溫強度和硬度，刀桿參數(shù)為直徑25mm，短軸150mm，圓柱面開方通孔，尺寸為8mm×8mm，端面車螺紋M8，用于固定刀片。該銑刀可適用于鏜銑直徑10～300mm的圓柱形凹槽，并能實現(xiàn)對凹槽的一次清根處理，加工表面粗糙度可達Ra1.6μm。工件材料的化學成分和刀具的幾何參數(shù)分別見表1和表2。

圖1 切削鈦合金圓弧形槽銑刀

表1 Ti6A14V鈦合金的化學成分 (%)

表2 刀具幾何參數(shù)

3 切削加工試驗

試驗選用北京第一機床廠XA6132臥式銑床，加工圓弧半徑為30mm，主軸轉速為150r/min，切削速度V=28m/min，進給速度Vf=30mm/min，切削深度ap=1.5～2mm。刀具選用W18CR4V高速鋼材質，因相對于金屬工件變形較小，刀具采用剛體材料，不考慮刀具磨損及變形，其密度為7.85g/cm3，彈性模量為210GPa，泊松比為0.33。圖2為鈦合金圓弧形槽工件加工過程，圖3為圓弧形槽工件。試驗結束后，測量工件表面粗糙度和輪廓度。

選取Johnson-Cook(JC)本構模型作為工件的材料模型，該模型是Von Mises塑性模型中的一種特殊形式，適用于金屬材料應變率變化范圍大、塑性硬化和熱軟化等問題，可以反映切削過程中材料的流動應力。具體材料參數(shù)見表3，Johnson-Cook材料模型的表達式為

(1)

表3 Ti6A14V鈦合金的本構模型

4 工件表面粗糙度測量

采用SuperView W1光學3D表面輪廓儀測量圓弧形槽表面粗糙度，在工件加工表面(1200μm×1200μm區(qū)域)用高倍攝像頭進行非接觸式掃描，利用3D 建模算法等對器件表面進行非接觸式掃描，并建立表面3D圖像。通過系統(tǒng)軟件對器件表面3D圖像進行數(shù)據(jù)處理與分析，并獲取2D和3D參數(shù)(包括線粗糙度、面粗糙度及輪廓度等)。測量過程如圖4所示，圖5為鈦合金圓弧形槽加工3D面輪廓度，可以看到，最大波峰值是14μm，刀痕整齊，受力均勻[15-18]。

圖4 鈦合金圓弧形槽表面粗糙度檢測

圖5 鈦合金圓弧形槽面輪廓度

圖6 鈦合金圓弧形槽線粗糙度

圖6為加工后的工件線粗糙度曲線，其中，Ra為1.554μm，Rq為1.799μm，Rp為4.011μm。由此可得，切削試驗達到的線粗糙度低于Ra1.6μm。圖7為加工后的表面粗糙度數(shù)據(jù)，其表面粗糙度為1.58μm。圖8為紋理均勻的加工表面。

圖7 鈦合金圓弧形槽面粗糙度

圖8 工件加工紋理均勻程度

5 結語

試驗證明，通過優(yōu)化銑刀刀具參數(shù)，提高了加工工件表面質量，通過設計的刀具加工鈦合金圓弧形槽可得到較小的表面線粗糙度和面粗糙度，加工紋理均勻，加工過程效率高，成本低，證明了此刀具的可行性。