氮气介质下铣削钛合金时的刀具磨损研究(上)

HEATS

　　在飞机制造中，钛合金用以制造翼梁、隔框和接头等重要承力构件；在发动机制造中，用以制造压气机叶片、压气机盘、机匣和燃料室外壳等重要零件。但钛合金属于难加工材料，切削加工性较差，限制了它的进一步推广和使用。为了提高钛合金的切削加工效率和切削质量，除了工业生产中迫切需要改善其切削加工性外，还要对钛合金的切削工艺、切削过程中的各种现象等进行深入细致的研究。众所周知，钛合金切削加工中的一个突出的问题是刀具耐用度低，容易出现缺口、崩刃、剥落等现象。近年来，我们通过大量的试验，对氮气介质下铣削和干铣削钛合金TC4时的刀具寿命和磨损特征进行了分析和研究。

4 w) k4 J2 o- Z/ X% P8 m

　　1材料的切削性能

9 F u: ?; Z9 G& a( k % b7 T: |" ~, @

　　钛合金TC4的组成为Ti-6AL-4V，属于(a+b)型钛合金，其切削性能表现为：

6 B3 N& h" T0 I7 T) ^1 ]

　　·切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3～3/4，可是钛合金切屑与前刀面的接触面积却更小，只有45钢的1/2～2/3，所以刀具切削刃承受的应力反而更大，是45钢的1.3～1.5倍，刀尖或切削刃容易磨损甚至损伤。

" i1 p8 ~4 t$ [) V- @# ~# b

　　·热传导率低。钛合金的导热系数分别是铁和铝的1/4和1/16，刀具与切屑的接触长度短，使得切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，容易造成刀具磨损加快。

1 x/ X* q# D6 {

　　·化学活性高。钛合金高温时化学活性很高，能与空气中的氢、氧和水蒸气等成分起化学反应，容易在钛合金表面生成硬化层，其结果降低了工件塑性且使切屑与前刀面的接触长度减少，进一步加速了刀具磨损。

+ E/ Z4 A- c4 z; V4 A8 E0 q+ s! r 4 F: w6 ^+ U0 V% h# O

　　·摩擦系数大。在相同条件下，钛合金材料与普通碳钢相比其摩擦系数大，切屑流经前刀面时所作的摩擦功大，导致摩擦界面温度更高，刀具易于磨损。

4 t6 K+ t. V4 v! I8 f1 } * G- F3 l" q) _4 F) [- c$ L% j

　　·弹性模量小。钛的弹性模量为1078MPa，约为钢的1/2。由于钛合金弹性模量小、曲强比大，使得工件的已加工表面在切削过程中极易产生回弹，容易造成刀具的后刀面磨损加剧和工件变形。

* I7 R" S x" s; N& G

　　2试验条件及结果分析

* ~1 Y2 P2 l( k; s, Q9 r

　　1)试验条件

　　机床：瑞士MIKRON公司生产的UCP710五坐标加工中心。工件材料：钛合金TC4。刀具：M2AL高速钢立铣刀，直径12mm，3齿。铣削方式：顺铣，周铣。铣削参数：ap=6mm，ae=1mm，fz=0.08mm/z，v=30，40，50，60m/min。铣削介质：空气，氮气。刀具磨钝标准：后刀面磨损值VB=0.2mm。

: u* s4 I3 H" c9 g

　　2)结果分析

2 @# {% z2 f3 F4 Y , z, N* u: c c

　　·钛合金的干铣削

　　首先在空气中进行钛合金的干铣削试验，随着切削速度的增加，刀具的磨损速度也在加快。对于同一切削速度，随着铣削时间的增加，铣刀后刀面的磨损也在加大。不同切削速度下的铣刀后刀面的磨损曲线形状也不相同，在切削速度50m/min和60m/min时，刀具磨损很快，磨损曲线陡直；而当铣削速度分别为30m/min和40m/min时，刀具磨损较慢，磨损曲线较为平缓，其中切削速度30m/min时的刀具寿命是60m/min的26.18倍。

+ S/ ]( a1 r' ?- s* b+ g# }# L! P7 h

　　·在氮气介质下铣削钛合金

0 N8 h* S6 ^/ A- r, \ T % r/ v6 Z5 J/ Z% k& B

　　在钛合金的铣削过程中，对铣刀和铣削区喷射高压氮气，以观察铣刀的磨损性能。在不同切削速度下刀具的磨损曲线形状也存在着很大的差别。刀具在30m/min、40m/min、50m/min、60m/min切削速度下的刀具寿命依次减少，其中切削速度30m/min下的刀具寿命是60m/min的25.48倍，因此，在氮气介质下铣削钛合金时，切削速度依然是影响刀具寿命的重要因素。

. Z2 o; P; r4 }7 g# t9 u' Y8 J: j 2 Q& x& q$ K- j0 ?6 ^- ~; \) q

　　·干铣削和氮气介质下铣削钛合金时刀具后刀面磨损情况的比较

/ v- w9 b/ N( Z$ X8 x8 {* y

　　切削速度为30m/min时，干铣削的刀具寿命为92.71min，而氮气介质下铣削时的刀具寿命为258.85min，氮气介质下铣削钛合金的刀具寿命大约是干铣削时的2.79倍。

4 T5 s) }% o% a$ y( f/ l

　　切削速度为40m/min时，干铣削的刀具寿命为51.41min，而在氮气介质下的刀具寿命为123.92min，氮气介质下的刀具寿命大约是干铣削的2.41倍。

2 B8 h& W( z8 }0 y& D

　　切削速度为50m/min时，干铣削的刀具寿命为13.30min，而在氮气介质下铣削时的刀具寿命为33.33min，氮气介质下的刀具寿命大约是干铣削的2.51倍。

* m3 d3 h+ ~8 G1 w* X9 f , p, R( `7 P) P* ?$ |

　　切削速度为60m/min时，干铣削时的刀具寿命为3.54min，而在氮气介质下铣削时的刀具寿命为10.16min，氮气介质下的刀具寿命大约是干铣削的2.87倍。

1 [. S. P W* T: a) G6 E2 W 5 ?% L8 K! o' ]# x: Z4 P1 W2 _

　　总之，在氮气介质下利用M2AL高速钢铣削钛合金TC4时，刀具的磨损状况比干铣削时得到显著改善，刀具寿命提高一倍以上，因此，就刀具寿命而言，钛合金在氮气介质下进行铣削比干铣削具有明显的优势。