钛合金曲面开槽用球头立铣刀几何参数的正交优化

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　　一、引言
　　风扇轮和斜流轮是发动机的关键部件，其加工质量直接影响发动机的推力和效率。风扇轮和斜流轮曲面可采用三维CAD／CAM技术在多轴联动加工中心上进行铣削加工。由于工件材料TC6钛合金属难加工材料，因此数控铣刀的切削性能将直接影响工件的几何精度、表面质量和加工效率。针对钛合金曲面数控铣削加工的特点，运用五轴数控强力磨削技术定制钛合金曲面开槽用球头立铣刀，并利用正交试验法对铣刀几何参数进行优化，可显著提高钛合金曲面的加工效率，降低加工成本。
　　二、钛合金曲面数控铣削加工的特点
　　1.曲面数控铣削加工特点
　　数控铣削加工作为一种成形加工手段，主要有面成型和线成型两种成型方法。面成型法以铣刀的全部侧刃作为切削刃，适用于加工斜面、柱面、锥面、环面等曲面。线成型法的成型原理则是将成型面视为型线的集合，以铣刀刀刃上的某一点作为切削刃，通过加工出一条条型线来形成型面，因此适用于加工任何复杂曲面。线成型曲面加工有以下特点:
8 ?7 a1 d8 a. H5 m　　(1)复杂曲面的成型加工多采用球头铣刀，有时为了增加刀具刚性，也可采用锥体球头立铣刀；
　　(2)曲面成型加工的表面粗糙度较差；
3 W" m$ a' ?# z" r6 _& Y　　(3)曲面成型加工时，由于采用多轴联动，切削余量不均，被切削材料与刀具切削刃的接触状态不断改变。
　　2.TC6钛合金的切削特性
　　TC6(Ti-6Al-2.5Mo-2.0Cr-0.3Si-0.5Fe)含15%～20%的稳定化元素，属耐热钛合金，工作温度为350～450℃。TC6钛合金的规定性能见表1。
& y7 n3 P- _& b! s' S% _* A表1　TC6钛合金的规定性能
. z, A$ ?; O* \# P' C* J常温性能高温性能δb
（MPa）δ
（％）ψ
（％）αK
（MJ.m-2）温度
5 A( t- C$ d$ Q& D9 A. M: |  \: a( H（℃）δb
( o+ q: n% r3 k$ d（MPa）δ100
(MPa）93110230.3450588539
　　TC6钛合金的切削加工具有以下特点：
, h+ Y9 T1 h$ w6 S2 M- t+ ^. k$ N　　(1)切削刃负荷重切削钛合金时切屑变形系数小(接近或小于1),切屑与刀具前面的接触长度短(仅为切削钢时的1／3～1／4)，虽然切削力比切削钢时约小20%，但却集中在切削刃附近，容易造成刀具崩刃。
/ }/ X* y" @3 n3 N2 L2 T　　(2)切削温度高由于钛合金导热性很差，且切屑接触长度短，不利于切削热的导出，致使切削刃区温度较高。实验表明，切削钛合金时的切削温度比切削45钢时约高一倍以上。
　　(3)刀具磨损严重切削钛合金时刀具容易磨损，除切削温度高这一原因外，在切削过程中钛合金容易与空气中的氮和氧反应形成硬脆表层，加剧刀具的磨料磨损；此外，钛合金与刀具材料的化学亲合性强，容易与刀具材料中的Ti、Co、Cr等元素粘结，加剧刀具的粘结磨损程度。
% c; m2 P- E4 Q2 _+ v( @8 v7 X　　以上特点是造成钛合金切削困难、刀具寿命短、切削效率低的主要原因。
　　三、球头立铣刀几何参数的正交优化
　　根据风扇轮和斜流轮工件曲面数控加工的实际要求及钛合金铣削加工的特点，可采用五轴数控磨削中心制造钛合金曲面开槽加工用球头立铣刀。为获得合理的立铣刀几何参数组合，我们采用正交试验法对风扇轮曲面开槽用球头立铣刀的几组几何参数进行了优选，刀具几何参数组合方案见表2。
, [0 j4 }1 _  ?表2　刀具几何参数组合方案
刀具
编号前角γ0
) C- @* f3 a6 B% B（°）后角α0
(°)刃带宽br1
. r, C% _  E9 ]9 [(mm)螺旋角β
(°)1880.23628100.33838120.44041080.340510100.436610120.23871280.438812100.240912120.336
5 T. L0 f1 z- u; q! `: [% I　　试验条件:机床主轴转速S＝540rpm，进给速度f＝140mm／min，切削深度ap＝4mm。
　　试验结果判定标准:刀具在20分钟内破损得0分；在30分钟内后刀面磨损0.12mm以上得1分；在30分钟内后刀面磨损0.12mm以内得2分；在30分钟内后刀面磨损0.05mm以内得3分。
　　试验结果及试验结果分析分别列于表3和表4。
5 f7 g- T" a" {' U  `# w表3　试验结果
刀具编号工件槽编号试验结果(后刀面磨损)11#槽，第二层30分钟后磨损0.15mm，33分钟时破损22#槽，第二层30分钟后磨损0.05mm，33分钟时破损33#槽，第二层6分钟时三个刀齿均破损44#槽，第二层30分钟后磨损0.1mm，32分钟时破损55#槽，第二层15分钟时破损66#槽，第二层6分钟时刀齿破损77#槽，第二层32分钟后磨损0.05mm88#槽，第二层30分钟时破损99#槽，第二层6分钟时破损
表4　试验结果分析
, d  C8 a6 i! C! J刀具
6 h+ F' o" v/ J% }编号前角γ0
% f3 A7 ~# K* J4 X+ o（°）后角α0
* T0 }+ c' y' y6 M* U' `! F（°）刃带宽br1
( K$ K) K! L* o（mm）螺旋角β
! E' W* r. h0 N8 ^（°）试验得分1880.236128100.338338120.440041080.3402510100.4360610120.238071280.4383812100.2401912120.3360K14621　K22456　K34033　K1/31.33320.6670.333　K2/30.6671.3331.6672　K3/31.333011　
　　比较上述9组不同几何参数组合的刀具试验结果可知,当几何参数组合为γ0＝12°，α0＝8°，br1＝0.4mm，β＝38°时刀具的抗磨损性能最佳，该组几何参数即为风扇轮曲面开槽用球头立铣刀的优化参数。此外，由试验结果可知，在加工中刀具使用30分钟后应强制换刀，进行修磨后再重新使用，这样可防止刀具进一步磨损引起破损失效。
　　四、结语
　　利用整体数控磨削加工技术制造加工钛合金曲面用数控刀具时，采用正交试验设计方法，可针对特定的工件材料和加工要求对刀具进行“量体裁衣”式设计，在采用普通刀具材料的情况下，通过优化刀具的几何参数组合，可达到最佳的切削效果。试验表明，在相同的切削条件下，经正交优化后的开槽球头立铣刀的寿命比瑞士米克朗公司提供的相同外径尺寸刀具的寿命提高二倍以上，其切削效果达到国际同类产品水平。 【MechNet】
文章关键词： 球头立铣刀'钛合金曲面   数控加工