进给量对高速轴向车铣TC4钛合金刀具磨损的影响*

姜增辉，孙晋亮，王书利，张莹，鲁康平

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳 110159；2.内蒙古北方重工业集团有限公司特种机械厂，内蒙古 包头 014030)



进给量对高速轴向车铣TC4钛合金刀具磨损的影响*

姜增辉1，孙晋亮1，王书利2，张莹2，鲁康平1

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳 110159；2.内蒙古北方重工业集团有限公司特种机械厂，内蒙古 包头 014030)

为研究进给量对轴向车铣TC4钛合金刀具磨损的影响，试验采用单因素法，在切削速度vc=100m/min，切削深度ap=5mm条件下，分别对高速轴向车铣钛合金中轴向进给量和每齿进给量对刀具磨损的影响规律进行了研究。结果表明：增加轴向进给量和每齿进给量的均会使刀具磨损加剧，但增加每齿进给量对刀具磨损的加剧作用相对较低。通过增加每齿进给量来提高轴向车铣钛合金的切削除率，更有利于抑制刀具磨损的加剧。

TC4钛合金；轴向车铣；每齿进给量；刀具磨损

0 引言

TC4具有比强度高、热强度高、耐腐蚀性好等特点，在航空航天、汽车、化工和医疗器械等领域得到了广泛应用[1-3]。随着钛合金零件需求的增加，钛合金薄壁回转体类零件的加工逐渐增多，这类零件刚度较差时采用轴向车铣加工可得到较好的加工质量。轴向车铣是车铣加工的主要方式之一(如图1所示)，可对回转体工件的外圆或内孔表面进行切削加工，合理选择刀具与切削参数可减小切削加工径向力，易于按要求实现零件的形状精度[4-5]。进给量是切削加工的重要切削参数，由于轴向车铣同时具备车削、铣削的部分运动特征，它的进给量由轴向进给量、每齿进给量两部分构成。轴向进给量与车削加工中的定义类似，为工件每转一周铣刀沿工件轴向的移动距离。每齿进给量与铣削加工中的定义类似，为铣刀每转一刃工件被加工表面沿其周向转动的距离[6]。

图1 轴向车铣外圆

钛合金由于其导热系数小、化学活性高等特性，使其在切削过程中切削温度高、刀具磨损严重[7-8]，由于切削加工中进给量的对刀具磨损有着重要的影响，因此深入研究轴向进给量、每齿进给量对轴向车铣加工钛合金刀具磨损的影响具有重要意义。李友生等进行钛合金的高速干车削试验，发现粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损是刀具的磨损主要形式，且发生氧化磨损时刀具前刀面较后刀面严重[9]。王晓琴等通过试验发现随着切削速度的增加刀具的磨损加剧，顺铣对延长钛合金加工刀具寿命非常有利[10]。金成哲等通过车铣加工的试验认为车铣铝合金的刀具磨损机理主要以刀具表层材料的黏结磨损为主, 而车铣不锈钢的刀具磨损机理主要以刀具表层材料的疲劳—剥落磨损为主[11]。

综上所述，目前对轴向车铣钛合金的刀具磨损还缺乏深入的研究，本文通过实验研究轴向进给量、每齿进给量对轴向车铣钛合金刀具磨损的影响规律，对掌握车铣钛合金的刀具磨损特点有一定参考价值。

1 实验条件

1.1 工件材料

试验采用的是直径为φ160的TC4钛合金棒料， TC4元素含量如表1所示。

表1 钛合金TC4元素含量表

1.2 实验铣刀

(a)R390-025A25-11L刀杆 (b)R390-11T308M-KL刀片

如图2所示，本次实验刀具选用山特维克可乐满硬质合金铣刀，刀片型号为R390-11T308M-KL，刀片牌号为S30t涂层刀片，刀杆型号为R390-025A25-11L。表2为刀片的几何参数。

表2 刀片几何参数

1.3 试验机床

轴向车铣钛合金试验在MAZAK200Y五轴四联动卧式车铣加工中心上完成(如图3所示)。车铣加工中心参数如表3所示。

图3 MAZAK200Y卧式车铣加工中心

铣削最大转速(rpm)功率(kW)回转直径(mm)加工长度(mm)1000022.355401020

1.4 试验测量设备

试验采用基恩士VHX-1000C型超景深三维显微系统对磨损后的刀片进行观测，观察刀具磨损区域形貌及测量刀具磨损量。如图4所示为VHX-1000C型超景深三维显微系统。

图4 超景深三维显微系统

2 实验方案

试验采用单因素实验法。实验过程中，每次切削一定长度，卸下刀片测量其磨损值VB，再次装回进行切削，一直达到其磨钝标准。通常设定磨钝标准为磨损量VB=0.3mm。根据刀具磨损情况，实验过程中一般取4～7个测量值即可。

表4为研究轴向进给量对刀具磨损影响的实验方案，表5为研究每齿进给量对刀具磨损影响实验方案。实验选用干切削、顺铣方式。

表4 轴向进给量对刀具磨损影响实验方案

表5 每齿进给量对刀具磨损影响实验方案

3 实验结果与分析

3.1 刀具磨损的形态与特征

图5显示了切削路程为45m时刀具的磨损形态。前刀面磨损后呈现出月牙洼形态，月牙洼较窄，位置靠近刀片刃口。钛合金切削塑性相对较小，在切削过程中切屑与工件基体分离后，在与前刀面的摩擦过程中会迅速卷曲，并脱离与前刀面的摩擦，因此磨损形成的月牙洼窄，且靠近刃口。同时，切屑与前刀面接触面积较小，导致切削热与压力积聚，使第二变形区切削条件恶化，加剧了前刀面的刀具磨损。后刀面呈沟槽磨损形态。由于钛合金弹性模量小，已加工表面会产生较大回弹，加剧了工件材料对后刀面的挤压与摩擦，使后刀面产生明显的沟槽磨损。

前刀面 后刀面

vc=100m/min，ap=5mm，fa=0.8mm/r，fz=0.1mm/r，L=45m

图5 轴向进给量对刀具磨损形态的影响

从图5还能够观察到由于高温高压作用，在刀具刃口附近形成明显的钛合金切屑粘结，这种粘结在切削过程中会不断形成与脱落，并在脱落时带走少量刀具材料，从而形成刀具的粘结磨损。对于轴向车铣钛合金加工，粘结磨损是硬质合金刀具的的重要磨损形式。

3.2 轴向进给量对刀具磨损的影响

如图6显示了轴向进给量对刀具磨损的影响规律。随着切削的进行，刀具后刀面的磨损量逐渐加大。由图可知，对于采用轴向进给量fa=0.4mm/r进行切削的刀具,切削路程L达到45m时后刀面磨损量为0.08mm左右，而采用fa=0.8mm/r切削的刀具,切削路程未到45m时，后刀面磨损量已达到0.15mm左右，同样切削路程刀具磨损量增加近一倍，可见增大轴向进给量十分明显地加剧了刀具的磨损。

图6 轴向进给量对刀具磨损的影响

在轴向车铣钛合金过程中，轴向进给量增加会导致切削层宽度正比例增加，由此前刀面-切屑、后刀面-加工表面的接触宽度增加，致使刀具前刀面、后刀面与切屑、加工表面的摩擦面积同比例增加，增大的高温、高压接触区导致了更快的刀具磨损。

3.3 每齿进给量对刀具磨损的影响

图7显示了每齿进给量对刀具磨损的影响规律。由图可知，随着切削的进行，刀具后刀面的磨损量逐渐加大。在切削路程L达到80m时，选用每齿进给量fz=0.2和fz=0.1的刀具磨损相差不多，前者略高于后者。此时两者均处于正常磨损阶段，后刀面磨损量均小于0.15mm。随着切削的继续进行，两种情况下后刀面磨损量逐渐产生差距，每齿进给量fz=0.2mm/z刀具的磨损量有明显增加，刀具磨损有加剧趋势。每齿进给量fz=0.1mm/z的刀具磨损量未出现明显增加，仍处于正常磨损阶段。

轴向车铣钛合金时，每齿进给量增加可使切削层厚度正比例增加。由于钛合金塑性小，切屑接触刀具前刀面后会迅速向上翻卷，即使切削层厚度正比例增加，切屑与前刀面的接触面积也不会有很明显的同比例增加。另外，切削层厚度增加不会对后刀面接触面积产生影响。因此，每齿进给量增加不会导致刀具的摩擦面积明显增加，在此情况下，刀具的磨损也不会明显加剧。

图7 每齿进给量对刀具磨损的影响

综上分析可知，轴向车铣钛合金时增大轴向进给量会加剧刀具磨损，且其影响远大于增大每齿进给量的影响。因此，从减小刀具磨损、延长刀具使用寿命考虑，通过增大每齿进给量提高切削效率较为有利。

4 结论

本文研究了轴向车铣TC4钛合金时轴向进给量、每齿进给量对刀具磨损的影响规律，得出以下结论：

(1)高速铣削钛合金时S30t硬质合金刀具的磨损形态主要表现为前刀面的月牙洼磨损、后刀面的磨损沟槽，且月牙洼位置更接近刀尖刃口。

(2)切削速度100m/min时S30t硬质合金刀具的主要磨损形式是粘结磨损。

(3)增大轴向进给量和每齿进给量均会加剧刀具的磨损，但增大每齿进给量对加剧刀具磨损的作用较小。通过增加每齿进给量来提高轴向车铣钛合金的切削效率，有利于抑制刀具磨损的加剧、延长刀具使用寿命。

[1] 张电丛,李蓓智,张家梁,等. 钛合金高速外圆磨削的温度特征实验研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2013(7):16-18,21.

[2] 吴燕,姜增辉,于海鸥. 细晶硬质合金刀具铣削TC4钛合金的磨损机理与特性[J]. 组合机床与自动化加工技术,2015(9):122-124.

[3] 江跃东,何改云,秦旭达,等. TC4钛合金螺旋铣孔工艺孔壁表面完整性研究[J]. 机械科学与技术,2015,34(10):1521-1525.[4] 王冬旭,金成哲,祖挥程,等. 大口径厚壁管内孔轴向车铣加工的切削参数优化[J]. 制造技术与机床,2015(3):75-78.

[5] 邓勇军,张之敬,金鑫,等. 微小型薄底零件的轴向车铣实验研究[J]. 制造技术与机床,2015(10):64-68.

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[8] 石莉,姜增辉. S30T正交车铣TC4钛合金刀具寿命试验分析[J]. 组合机床与自动化加工技术,2015(5):21-23.

[9] 李安海,赵军,罗汉兵,等. 高速干铣削钛合金时涂层硬质合金刀具磨损机理研究[J]. 摩擦学学报,2012,32(1):40-46.

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[11] 金成哲,贾春德. 基于车铣技术的刀具磨损和破损分析[J]. 中国机械工程,2006,17(14):1456-1459.

(编辑 李秀敏)

The Influence of Feed on Tool Wear in Cutting TC4 Titanium by High Speed Axial Turn-Milling

JIANG Zeng-hui1，SUN Jin-liang1，WANG Shu-li2，ZHANG Ying2，LU Kang-ping1

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159,China;2.North Heavy Industries Special Machinery Works,Inner Mongolia Baotou 014030,China)

In order to study the influence of feed on the tool wear of cutting TC4 titanium alloy by axial turn-milling, and the single factor experiment was done with the cutting speedvc= 100 m/min, cutting depthap= 5 mm. The influence rule of the axial feed and feed per tooth on the tool wear of cutting titanium alloy by axial turn-milling was respectively studied. The results show that the increase of axial feed and feed per tooth will aggravate the tool wear，and it relatively slow aggravates the tool wear to increase the feed per tooth. By increasing the feed per tooth to improve the cutting efficiency of the axial turn-milling titanium alloy, it is conducive to restrain from aggravating the tool wear.

TC4 titanium alloy; axial turn-milling;feed per tooth; tool wear

1001-2265(2016)10-0026-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.007

2015-12-20；

2016-01-22

国家科技重大专项资助(2012ZX04003-061)

姜增辉(1971—)，男，沈阳人，沈阳理工大学教授，硕士生导师，研究方向为高速、高效切削技术，(E-mail)jzh1022@163.com。

TH162;TG506

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