新型tc21钛合金高速铣削加工中的刀具磨损研究.doc

新型TC21钛合金高速铣削加工中的刀具磨损研究 钛合金是航空航天工业中典型难加工材料，因其导热系数小，化学活性高，摩擦系数大，导致加工时，刀具磨损严重，严重影响了钛合金的加工效率和加工质量[1]。因此，研究刀具的磨损机理，防止刀具过早、过多磨损，以便延长刀具的使用寿命显得非常重要。 TC21钛合金是我国具有独立自主知识产权的第一个高强高韧损伤容限型钛合金[2]，目前，国内同行仅对材料的物理、化学和力学性能进行了初步研究，在机械加工领域尤其是高速铣削[3]的研究还是一片空白。在实际加工中没有成熟的理论根据，只能不断摸索，总结优化。 TC21钛合金铣削比车削加工困难，铣削时切削刃区域容易与钛发生粘结，刀齿易崩刃，刀具耐用度低[4]。通过铣削刀具磨损试验以及扫描电镜（SEM）观察手段[5]，来研究高速铣削TC21合金时刀具磨损的形式和形成机理，获得高效加工参数。 刀具磨损试验 1 试验条件 试验材料选用尺寸为140mm×140mm×140mm的TC21钛合金，主要成分为Tr6Al-2Zr-2Sn-3Mo-1Cr- 2Nb。试验在三坐标数控加工中心TK5680上进行；使用的是美国SGS公司生产的带TiAlN涂层的整体硬质合金刀具（硬质合金K30，刀具直径为20mm，齿数为4），如图1所示。 采用刀具磨损量体式显微镜测量系统，显微镜型号为Leica DMLM采用扫描电子显微镜（SEM）JSM-6360LV对TC21钛合金不同加工方式下的刀具刀尖磨损微观形貌进行观察和分析，并利用SEM自带的能谱仪EDS对磨损产物进行成分的定性分析。 2 试验方案 在评定刀具切削性能和研究试验时，都以刀具表面的磨损量作为刀具的磨钝标准[6-7]。根据国际标准ISO规定，以1/2切削深度处后刀面上测量的磨损带宽度作为刀具磨钝标准。 由于铣削加工刀具为4齿的整体硬质合金刀具，在铣削过程中，刀具4个齿均参与切削加工，磨损发生在4个齿上，为简化研究过程，在考察刀具磨损情况时，以磨损最为严重的齿的平均磨损量VB为考察对象。 针对钛合金切削加工的刀具磨损试验成本高昂、耗时巨大等缺点，为能用较少的试验次数取得较正确的试验结果，本文采用正交试验设计方法四因素三水平的L9（34）形式来安排试验，如表1所示。然后分别进行直观极差分析法、方差分析法研究切削加工刀具磨损试验结果。 试验结果分析 1 试验结果 铣削TC21钛合金材料，测得刀具磨损的正交试验结果以及对结果进行极差分析，如表2所示。分析结果可以看出各影响因素的极差关系为：RARB=RCRD，由此可以得到影响刀具后刀面磨损量各因素的主次顺序为：线速度A每齿进给量B=切削宽度C切削深度D。 对正交试验刀具磨损量进行极差分析，各影响因素对刀具后刀面磨损量的影响趋势直观图（图2）。从图中可以看出因素A对铣削加工时的刀具磨损影响最大，当铣削加工时线速度较低或较高均会造成刀具磨损严重；随着每齿进给量的增加，刀具磨损量单调递增；切削宽度变化时刀具磨损量存在最大值，切削深度变化时刀具磨损量存在最小值。 nextpage 从图2可以直观分析得到获得刀具后刀面磨损量较小的优化铣削加工参数组合方案：A2B1C3D2，即切削线速度为60m/min-1、每齿进给量为0.05mm/z、切削宽度为1.5mm，切削深度为20mm。 方差分析及F值显著性检验结果如表3所示。 正常本次试验无空列，因D列偏差平方和较小，故以D列作为误差列。方差分析及显著性检验分析表明，对于给定显著水平α=0.01或0.05，只有因素A对刀具磨损程度的影响是最为显著的，其他因素对铣削加工中刀具磨损的影响不显著。 为分析铣削TC21的9种情况刀具磨损量随切削量的磨损行为，在最终切削相同的金属切除量的条件下，分别采集5个时间点做出刀具磨损量随切削量变化曲线，如图3所示。 从图3中可以看到，当切削线速度为100m/min时，3种切削条件的刀具磨损都较其他情况严重，而线速度为60m/min时3种切削条件与20m/min磨损行为曲线规律近似，但磨损量降低。为实现高效加工工厂的实际切削速度有望从20m/min提高到60m/min。 2 刀具磨损形态及行为的研究 2.1 宏观分析 高速铣削航空钛合金时刀具受到更大的冲击，同时切削温度高导致切削过程有着强烈的化学作用，刀具的崩刃破损现象会出现更多，特别是粗加工，崩刃现象尤为严重。刀具在正交设计试验铣削钛合金TC21时，刀具后刀面磨损的的宏观形态，如图4所示（×100倍）。 从图4可以看出，TC21-X-3、TC21-X-4、TC21-X-5、TC21-X-6这4组刀具的刀刃没有破损，只是涂层的磨损。其他组的刀具刀刃均有不同程度的崩刃现象。如果单从切削速度来考虑问题的话，在不同的铣削速度下，