TC4圆弧形槽铣削刀具的研发设计及试验研究

葛传志，朱留宪，杨林嵩

1四川省高温合金切削工程技术实验室；2西南交通大学；3四川工程职业技术学院机电工程系

1 引言

钛合金因具有强度高、耐蚀性及耐热性高等特点而被广泛用于航空航天领域。但是其属于难加工材料和典型的粘性材料，因此具有导热系数小，弹性模量小等特点[1，2]，导致刀具磨损严重，国内外很多学者对切削钛合金进行了深入研究[3-8]。

加工钛合金的刀具一般有四种：高速钢刀具、硬质合金钢刀具、涂层刀具及超硬刀具，价格依次递增。本文采用以W18CR4V高速钢为基体的切削刀具，通过控制刀具几何角度参数(刀具角度)，同时可微调切削圆柱弧面径向半径。刀具采用单刃口并联加工，表面精度可达到Ra1.6μm，加工工件效果完全等同于涂层刀具和超硬刀具加工效果，且成本大大降低，可大规模批量投入生产加工。

切削加工圆弧形槽过程中的清根十分困难，往往会因为加工过程中圆角过大导致装配过程失败，因此，保证两端面与圆弧面垂直度效果对清根非常重要。可通过刃倾角和主后角配合进行强化清根，且副后角有利于高效排屑。

2 刀具形状及参数设计

如图1所示，铣刀的刀柄尺寸为16mm×15mm×12mm，刀头宽度2mm，刀片采用W18CR4V高速钢，其抗弯强度为2.7～3.8GPa，冲击韧度0.23～0.30J/cm2，具有较高的常温和高温强度和硬度，刀杆参数为直径25mm，短轴150mm，圆柱面开方通孔，尺寸为8mm×8mm，端面车螺纹M8，用于固定刀片。该铣刀可适用于镗铣直径10～300mm的圆柱形凹槽，并能实现对凹槽的一次清根处理，加工表面粗糙度可达Ra1.6μm。工件材料的化学成分和刀具的几何参数分别见表1和表2。

图1 切削钛合金圆弧形槽铣刀

表1 Ti6A14V钛合金的化学成分 (%)

表2 刀具几何参数

3 切削加工试验

试验选用北京第一机床厂XA6132卧式铣床，加工圆弧半径为30mm，主轴转速为150r/min，切削速度V=28m/min，进给速度Vf=30mm/min，切削深度ap=1.5～2mm。刀具选用W18CR4V高速钢材质，因相对于金属工件变形较小，刀具采用刚体材料，不考虑刀具磨损及变形，其密度为7.85g/cm3，弹性模量为210GPa，泊松比为0.33。图2为钛合金圆弧形槽工件加工过程，图3为圆弧形槽工件。试验结束后，测量工件表面粗糙度和轮廓度。

选取Johnson-Cook(JC)本构模型作为工件的材料模型，该模型是Von Mises塑性模型中的一种特殊形式，适用于金属材料应变率变化范围大、塑性硬化和热软化等问题，可以反映切削过程中材料的流动应力。具体材料参数见表3，Johnson-Cook材料模型的表达式为

(1)

表3 Ti6A14V钛合金的本构模型

4 工件表面粗糙度测量

采用SuperView W1光学3D表面轮廓仪测量圆弧形槽表面粗糙度，在工件加工表面(1200μm×1200μm区域)用高倍摄像头进行非接触式扫描，利用3D 建模算法等对器件表面进行非接触式扫描，并建立表面3D图像。通过系统软件对器件表面3D图像进行数据处理与分析，并获取2D和3D参数(包括线粗糙度、面粗糙度及轮廓度等)。测量过程如图4所示，图5为钛合金圆弧形槽加工3D面轮廓度，可以看到，最大波峰值是14μm，刀痕整齐，受力均匀[15-18]。

图4 钛合金圆弧形槽表面粗糙度检测

图5 钛合金圆弧形槽面轮廓度

图6 钛合金圆弧形槽线粗糙度

图6为加工后的工件线粗糙度曲线，其中，Ra为1.554μm，Rq为1.799μm，Rp为4.011μm。由此可得，切削试验达到的线粗糙度低于Ra1.6μm。图7为加工后的表面粗糙度数据，其表面粗糙度为1.58μm。图8为纹理均匀的加工表面。

图7 钛合金圆弧形槽面粗糙度

图8 工件加工纹理均匀程度

5 结语

试验证明，通过优化铣刀刀具参数，提高了加工工件表面质量，通过设计的刀具加工钛合金圆弧形槽可得到较小的表面线粗糙度和面粗糙度，加工纹理均匀，加工过程效率高，成本低，证明了此刀具的可行性。