秦錄芳，孫濤

徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

1 引言

損傷容限型TC21鈦合金擁有良好的力學(xué)性能(較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率、較高的高溫靜強(qiáng)度及較好的熱穩(wěn)定性等)和工藝性能(較優(yōu)的可鍛性及焊接性等)，廣泛應(yīng)用于航空航天關(guān)鍵承力部件[1]。

和其他鈦合金一樣，TC21鈦合金屬于難加工材料。相對于TC4鈦合金，TC21的低導(dǎo)熱率使其在切削加工中不可避免地存在切削溫度高和刀具磨損快的情況，掣肘了加工效率和加工質(zhì)量的提高[2]。

正交車銑通過銑刀高速旋轉(zhuǎn)、工件低速旋轉(zhuǎn)和銑刀沿工件軸向運(yùn)動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)過程的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)材料的高效精密加工[3]。正交車銑是斷續(xù)切削，有利于刀具冷卻，可降低切削溫度和提高刀具壽命。因此，研究正交車銑的切削溫度，對優(yōu)化難加工材料(如鈦合金、鎳基高溫合金等)的車銑加工參數(shù)具有重要意義。

Peng F.Y.等[4]在工件表面均勻埋置數(shù)根熱電偶，采用人工熱電偶法測量車銑溫度，但該測溫裝置加工復(fù)雜且不能做整周旋轉(zhuǎn)。Karaguzel U.等[5]基于切削力和切削速度建立了正交車銑切削溫度數(shù)學(xué)模型，預(yù)測了切削溫度，但未經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證。正交車銑加工時(shí)工件和刀具同時(shí)旋轉(zhuǎn)，所以常用于車削和銑削的測溫方法(如自然熱電偶法[6]及夾絲熱電偶法[7])都無法適用于車銑加工。由于缺少合理有效的試驗(yàn)手段，造成目前關(guān)于正交車銑切削溫度的研究較少。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種新的正交車銑測溫方法，基于該方法對比損傷容限型TC21鈦合金車削和正交車銑的切削溫度，分析車銑切削參數(shù)對TC21切削溫度的影響規(guī)律，并采用掃描電鏡(SEM)驗(yàn)證車銑刀具損傷的原因，以期為難加工材料正交車銑切削參數(shù)優(yōu)化提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)材料、刀具和機(jī)床

試驗(yàn)材料是直徑為80mm的損傷容限型TC21鈦合金(α+β型鈦合金)棒料，其主要性能如下：強(qiáng)度極限σb=1174MPa，斷面收縮率ψ=11.3%，沖擊韌性αKU=51.5J/cm2，400℃時(shí)的導(dǎo)熱率θ=9.3W/(m·℃)，金相為網(wǎng)籃組織(見圖1)。

圖1 TC21鈦合金材料的金相組織

采用SANDVIK刀具，包括R390-020A22-11M刀柄和R390-11T308E-PLW1130刀片(見圖2)，其中，刀具直徑為20 mm，刀片基體為硬質(zhì)合金，涂層為TiAlN。在MAZAK INTEGREX 200-IVST車銑復(fù)合加工中心上完成試驗(yàn)。

(a)刀片

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

正交車銑加工涉及的切削參數(shù)見圖3，包括銑刀轉(zhuǎn)速nt、工件轉(zhuǎn)速nw、銑刀沿工件的軸向進(jìn)給量fa、切削深度ap和偏心距e。其中，偏心距e根據(jù)銑刀中心面和工件中心面在yw軸上的距離分為正偏心、無偏心和負(fù)偏心。正交車銑的切削參數(shù)數(shù)值見表1。

圖3 正交車銑的切削參數(shù)

表1 試驗(yàn)切削參數(shù)數(shù)值

2.3 正交車銑測溫方案的設(shè)計(jì)

目前，切削加工較為準(zhǔn)確的測溫方法為熱電偶法，車削加工常采用自然熱電偶法，銑削加工常采用夾絲熱電偶法。而正交車銑加工時(shí)，由于工件和銑刀同時(shí)旋轉(zhuǎn)，故上述兩種方法都不適用。為解決此問題，提出了一種新的測溫方案(見圖4)。

(a)正交車銑測溫總方案

圖中，試驗(yàn)工件由左側(cè)和右側(cè)兩部分組成。需磨削工件左側(cè)部分的右端面并加工螺紋孔；工件右側(cè)部分加工成階梯軸，需磨削其左端面并加工均勻分布的溝槽和螺紋孔，中間為階梯孔。

在工件左側(cè)右端面和右側(cè)左端面中間放置兩張絕緣膜，在每個(gè)溝槽中放入熱電偶絲，將每個(gè)熱電偶絲匯集在工件圓心處并纏繞成一根，從筒狀絕緣體孔中穿過并和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，然后通過螺紋聯(lián)接保證工件左側(cè)和右側(cè)部分的緊密固定。

導(dǎo)電滑環(huán)中間的轉(zhuǎn)子和工件右側(cè)的細(xì)軸被固定并隨工件同步旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)電滑環(huán)外圈是定子，上面有螺紋聯(lián)接的固定板，固定軸通過外部裝置保持固定不動(dòng)，固定軸插入到固定板上的圓槽中即可保證導(dǎo)電滑環(huán)定子不動(dòng)。導(dǎo)電滑環(huán)轉(zhuǎn)子的導(dǎo)線焊接固定在工件遠(yuǎn)離切削的區(qū)域，切削時(shí)采集的信號通過導(dǎo)電滑環(huán)定子的導(dǎo)線輸出并和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。

正交車銑加工中，采用高速旋轉(zhuǎn)的銑刀切削加工低速旋轉(zhuǎn)的工件，當(dāng)銑刀切削到熱電偶絲一端時(shí)(工件直徑最大處)，熱電偶絲和絕緣膜被破壞，形成瞬時(shí)熱接點(diǎn)(即構(gòu)成熱電偶的熱端)，焊接點(diǎn)處遠(yuǎn)離切削區(qū)域(即構(gòu)成冷端)，這樣工件和熱電偶絲構(gòu)成了一個(gè)熱電偶，對其標(biāo)定后通過冷端和熱端之間的熱電勢即可測得切削溫度。該設(shè)計(jì)方案適用于單涂層、多涂層或非涂層等各種刀具，測得溫度為切削區(qū)域的瞬時(shí)溫度。其原理和夾絲熱電偶法一致。

對TC21和康銅構(gòu)成的熱電偶采用快速熱電偶標(biāo)定裝置進(jìn)行標(biāo)定[8]，所得標(biāo)定曲線如圖5所示。然后通過上述測溫方案得到熱電勢，根據(jù)圖5即可得到相應(yīng)的車銑溫度。

圖5 TC21-康銅熱電偶的標(biāo)定曲線

3 切削參數(shù)對切削溫度的影響

正交車銑屬于斷續(xù)加工，為刀具提供了較長的冷卻時(shí)間，有利于降低切削溫度和提高刀具壽命。研究切削參數(shù)對切削溫度的影響，對優(yōu)化正交車銑切削參數(shù)具有重要意義?；谏鲜稣卉囥姕y溫方案，采用單因素試驗(yàn)法及干式切削，研究正交車銑切削參數(shù)對切削溫度的影響。

當(dāng)nt=2000r/min，nw=5r/min，ap=1mm，fa=4mm/r，e=-8mm時(shí)，正交車銑順銑和逆銑的切削溫度如圖6a所示。銑刀切入切出工件過程中，逆銑時(shí)切削厚度由薄變厚，刀刃在切入工件處容易發(fā)生摩擦和擠壓；順銑時(shí)，銑刀切削厚度由厚變薄，刀刃在切入工件處的摩擦和擠壓小于逆銑，所以其切削溫度低于逆銑。鑒于此，后續(xù)試驗(yàn)均采用順銑。

車削時(shí)對應(yīng)的材料去除率為4.8cm3/min，切削參數(shù)為切削速度80m/min、切削深度0.6mm和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量0.1mm/r，而正交車銑順銑和逆銑在材料去除率為5cm3/min時(shí)，切削溫度均小于車削。結(jié)果表明，正交車銑斷續(xù)切削有利于刀具冷卻，在材料去除率大于車削的情況下仍可獲得低于車削的切削溫度。

當(dāng)nt=2000r/min，nw=5r/min，ap=0.5mm，fa=4mm/r時(shí)，正交車銑在不同偏心量下的切削溫度如圖6b所示。由文獻(xiàn)[8]可知，偏心量e=-8mm時(shí)，銑刀只有側(cè)刃參與切削；e=0mm時(shí)，銑刀側(cè)刃和底刃都參與切削；e=8mm時(shí)，銑刀底刃參與切削的程度較大，側(cè)刃參與切削的程度較小。當(dāng)正交車銑底刃參與切削時(shí)，越靠近銑刀中心，底刃刀刃點(diǎn)的線速度越低，刃口摩擦作用越強(qiáng)，切削溫度越高。因此，偏心量e=8mm時(shí)的切削溫度最高，e=-8mm時(shí)的切削溫度較低，后續(xù)試驗(yàn)均采用e=-8mm。

圖6 正交車銑切削參數(shù)對切削溫度的影響

當(dāng)nw=5r/min，ap=0.5mm，fa=4mm/r，e=-8mm時(shí)，正交車銑在不同銑刀轉(zhuǎn)速下的切削溫度如圖6c所示。銑刀轉(zhuǎn)速增加，一方面會(huì)提高切削速度，導(dǎo)致摩擦效應(yīng)增強(qiáng)，造成切削熱上升；另一方面會(huì)增大轉(zhuǎn)速比(λ=nt/nw)，從而減小切屑體積導(dǎo)致切削熱下降[9]。二者綜合作用導(dǎo)致切削溫度上升趨勢較緩。

當(dāng)nt=2000r/min，ap=0.5mm，fa=4mm/r，e=-8mm時(shí)，正交車銑在不同工件轉(zhuǎn)速下的切削溫度如圖6d所示。工件轉(zhuǎn)速增加，一方面會(huì)使切削速度提高，導(dǎo)致摩擦效應(yīng)增強(qiáng)，造成切削熱上升；另一方面會(huì)使轉(zhuǎn)速比減小，從而增大切屑體積，導(dǎo)致切削熱上升，二者綜合作用導(dǎo)致切削溫度急劇上升。

當(dāng)nt=2000r/min，nw=5r/min，fa=4mm/r，e=-8mm時(shí)，正交車銑在不同切削深度下的切削溫度如圖6e所示。切削深度增大，切屑體積隨之增大，造成切削熱急劇上升。

當(dāng)nt=2000r/min，nw=5r/min，ap=0.5mm，e=-8mm時(shí)，軸向進(jìn)給量對切削溫度的影響和切削深度類似(見圖6f)。

4 刀具破損分析

由于正交車銑為斷續(xù)切削，加工鈦合金材料時(shí)容易產(chǎn)生脆性破損。為判斷高切削熱是否是造成刀具破損的主因，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對正交車銑破損失效刀具的后刀面進(jìn)行拍照(見圖7)。

圖7 正交車銑破損失效刀具后刀面形貌

刀具破損失效后，其基體材料硬質(zhì)合金裸露出來。由文獻(xiàn)[9]可知，過高的切削熱帶來的熱沖擊使硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生垂直或傾斜于切削刃的熱裂紋，而機(jī)械沖擊會(huì)使刀具產(chǎn)生平行于切削刃的機(jī)械疲勞裂紋。由圖7可見，破損刀具后刀面存在平行于切削刃的裂紋，即正交車銑刀具破損主因是機(jī)械沖擊。上述結(jié)果再次表明，正交車銑可有效降低切削熱和切削溫度，熱沖擊導(dǎo)致的熱裂紋不是刀具破損的主因。

5 結(jié)語

(1)針對常用測溫方法因正交車銑中刀具和工件同時(shí)旋轉(zhuǎn)而不適用于車銑加工的問題，設(shè)計(jì)了一種新測溫方案。該方案適用于單涂層、多涂層或非涂層等各種刀具，測得溫度為切削區(qū)域的瞬時(shí)溫度，原理與夾絲熱電偶法一致。

(2)正交車銑斷續(xù)切削有利于刀具冷卻，在材料去除率大于車削的情況下仍可獲得低于車削的切削溫度。

(3)正交車銑時(shí)，順銑和負(fù)偏心量有利于降低切削溫度，銑刀轉(zhuǎn)速對切削溫度影響不明顯，而增大工件轉(zhuǎn)速、切削深度和軸向進(jìn)給量時(shí)，切削溫度顯著上升。

(4)正交車銑刀具破損主因是機(jī)械沖擊，正交車銑可有效降低切削熱和切削溫度，熱沖擊導(dǎo)致的熱裂紋并非刀具破損的主因。