1、序言

雖然鈦合金憑借質量輕、強度高、耐高溫及耐腐蝕等優異性能，成為兵器制造、航空航天等軍工領域的關鍵結構材料，也是熱端部件的首選材料[1]，但TC4鈦合金屬于典型難加工材料，切削過程中易產生加工硬化與加工變形，同時因導熱系數低，切削區大量熱量積聚導致切削溫度急劇升高，加劇刀具與工件材料間的擴散與粘結，造成刀具快速磨損[2]，因此鈦合金切削特性研究一直是加工領域的熱點。

目前，行業普遍采用配備涂層硬質合金圓刀片的可轉位銑刀進行鈦合金銑削，以實現大余量高效切削。鈦合金切削過程中，切削力、切削熱與刀具磨損直接決定加工精度、表面質量與加工效率。切削力過大會引發工藝系統顫振，造成讓刀變形，降低尺寸精度與表面質量；切削溫度過高會改變工件表層組織，影響表面完整性[3?5]；刀具磨損加劇則會導致零件尺寸超差、報廢，增加刀具成本。因此，開展圓刀片銑削鈦合金的切削機理研究，掌握不同工藝參數下切削力、切削溫度與刀具磨損的變化規律，對優化工藝方案、提升加工效率及降低生產成本具有重要工程意義。

本文采用圓刀片可轉位銑刀開展TC4鈦合金銑削試驗，重點分析切削速度、每齒進給量對切削力、切削溫度及刀具磨損的影響規律，進而給出適配現場生產的優選工藝參數。鈦合金銑削速度需結合刀具材料與切削溫度進行合理選取，每齒進給量需匹配刀具強度與機床剛度，以實現最大材料去除率[6?9]。

2、試驗材料

2.1　工件材料

本試驗采用尺寸為150mm×100mm×70mm的TC4鈦合金塊料，其元素組成見表1。

表1　TC4鈦合金的元素組成(質量分數)(%)

2.2　試驗設備和儀器

(1)試驗機床 HURCO VMX42五軸立式加工中心具有良好的機床剛度和加工能力，其主要性能參數見表2。試驗現場如圖1所示。

表2　HURCO VMX42主要性能參數

(2)試驗刀具如圖2所示，采用森拉天時圓刀片可轉位銑刀，刀片的型號為RPHX1204M4EN-M31 CTC5235，涂層材質TiCN-Al?O?(CVD)；刀盤型號A251.40.R.04-12-RE。圓形刀片直徑12mm，安裝刀片后的刀具直徑為40mm，4齒。

(3)測量儀器：鈦合金切削力在線測量選用Kistler 9272四向壓電式測力儀，配套的電荷放大器為Kistler 5017B。鈦合金銑削溫度的在線測量選用FLIR A65型紅外熱像儀。銑削刀具磨損選用基恩士超景深顯微鏡VHX-600檢測，可觀察刀具刃口和前后刀面的磨損形貌，測量后刀面磨損帶寬度。

2.3　試驗工藝參數

本文采用單因素試驗法開展切削速度和每齒進給量對TC4鈦合金銑削特性的影響研究，在試驗中保持其他切削參數和刀具型號不變，銑削方式為順銑，每組試驗的切削深度保持為2mm，切削寬度為5mm。由于測力儀在線測量不受外力干擾，因此試驗中不施加切削液。具體的試驗工藝參數見表3。

表3　試驗工藝參數

試驗過程中，每間隔一定的材料去除量暫停加工并取下刀具，將刀具刃口置于超景深顯微鏡下，觀察圓刀片的磨損形態并測量，記錄后刀面的磨損量。

3、試驗結果與分析

3.1　切削力

切削速度 v c 對切削力的影響如圖3所示，在每齒進給量 fz=0.35mm/z保持不變的情況下，隨著切削速度的增大，三向切削力均變化不明顯。由此可知，圓刀片可轉位銑刀在加工鈦合金時，切削力受刀具切削速度的影響非常微弱。這意味著，提高切削速度不會顯著增加切削力，因而也不會導致因切削力過大帶來的振動和"讓刀"等問題。因此，在對切削力不敏感的加工工況下，比如薄壁類工件加工，可適當提高切削速度，從而提高加工效率。

每齒進給量對切削力的影響如圖4所示，在切削速度 vc=75 m/min不變的情況下，每齒進給量對切削力的影響顯著，隨著每齒進給量增加，切削力呈線性增大。由于未變形的切屑厚度是影響切削力的關鍵因素，因此隨著每齒進給量的增大，未變形的切屑厚度也隨之增大，進而引起切削力的增大。因此，為了合理控制切削力，避免發生嚴重的切削振動，同時防止因刀片強度不足而發生斷刀和崩刃等風險，每齒進給量 f z 不宜取值過大。

3.2　切削溫度

采用紅外熱像儀獲得的圓刀片可轉位銑刀銑削鈦合金時的瞬時溫度場如圖5所示。可見，切削區的溫度最高，約為210℃，切屑的溫度處于較高的范圍，接近最高溫度。工件離切削區較遠部位的溫度接近于室溫，而工件緊靠切削區的部位以及刀具的溫度在100℃左右。此溫度場分布表明，切削區內刀具和工件相互強力干涉產生的工件材料剪切變形和刀具-工件接觸面擠壓摩擦是切削熱的來源。同時，切屑剪切變形熱占比更大，生成的熱量大部分殘存在切屑上，隨著切屑的斷裂和飛離而被帶走，這一特性有利于避免更多的熱量傳入到刀具中而加劇刀具的磨損失效。

切削速度 v c 對切削溫度的影響如圖6所示。由圖6可知，每齒進給量保持0.2mm/z不變的情況下，隨著切削速度的增大，切削溫度呈線性增大。當切削速度為60m/min時，切削溫度約為200℃；當切削速度為90m/min時，切削溫度逼近于350℃。這一溫度會加劇鈦合金的活潑元素與刀具基體材料之間的擴散，刀具基體和鈦合金工件材料會發生粘結，造成圓刀片的快速磨損失效。為了兼顧加工效率，本文推薦圓刀片可轉位銑刀加工鈦合金時的切削速度 v c 為75m/min。

每齒進給量對切削溫度的影響如圖7所示，當切削速度 v c  =  60 m/min保持不變時，隨著每齒進給量的增加，切削溫度變化不顯著，僅有輕微增加，可見每齒進給量變化對切削溫度的影響較小。

3.3　刀具磨損

結合加工經驗可知，鈦合金銑削加工，切削速度和每齒進給量對刀具磨損的影響很大。針對TC4鈦合金展開了一系列不同切削速度的加工試驗，分析其對刀片刃口磨損的影響規律。以刀具的后刀面磨損帶寬度作為衡量刀具刃口磨損程度的量化評價指標，使用前述同種規格的圓刀片，在不同切削速度下，使刀具保持相同的進給速度和切削深度，對同等體積(150mm×100mm×10mm)的鈦合金材料進行去除后，采用超景深顯微鏡觀察到的刀片刃口磨損形貌如圖8所示。由圖8可知，不同的切削速度，圓刀片刃口均會發生不同程度的磨損，刀尖處刃口出現明顯的塌陷和缺口，后刀面出現嚴重磨損，前刀面未出現月牙洼磨損。隨著切削速度 v c 從60m/min增加到90m/min，刀尖刃口的磨損程度明顯加劇，磨損缺口的寬度逐漸增寬，長度并無顯著變化。通過觀察磨損形貌圖可知，由于鈦合金弱剛度特點，刀具與工件擠壓造成切削區域材料回彈，位于切削區域刃口附近的后刀面與工件表面接觸面積增大，發生強烈的擠壓和摩擦，加劇了后刀面的磨損。

后刀面磨損帶寬度隨切削速度的變化關系如圖9所示。由圖9可知，隨著切削速度的增大，后刀面磨損寬度也隨之增大，呈正相關趨勢。其原因在于，切削速度增加后，切削區內工件材料的剪切變形生熱和摩擦生熱效應均有所加劇，導致切削溫度升高。在高溫和高速摩擦作用下，刀片刃口發生了更為劇烈的擴散磨損和高溫粘結磨損，這些磨損形式尤其傾向于發生在與工件材料緊密貼合的后刀面上，使后刀面磨損帶逐漸變寬。

當刀具的切削速度 vc=70 m/min時，完成同等材料的去除量后，后刀面磨損帶寬度隨每齒進給量的變化關系如圖10所示。隨著每齒進給量的增大，后刀面磨損寬度也隨之增大，近似線性增加。每齒進給量<0.30mm fz>0.35 mm/z時，后刀面磨損寬度變化顯著。對比結果表明，每齒進給量 fz=0.30mm/z是該型圓刀片在加工鈦合金時的一個門檻，在該參數下，刀具的磨損較輕，且加工效率也較高。因此，本文推薦選取每齒進給量 fz=0.30mm/z作為較優的參數值，用于鈦合金的實際加工作業。

4、結束語

通過研究不同切削速度和每齒進給量對鈦合金切削力、切削溫度及刀具磨損的影響規律，得出結論如下。

每齒進給量不變，切削速度增加不會影響三向切削力；切削速度不變，每齒進給量的增大會使切削力近似呈線性增加。

在鈦合金的切削過程中，生成的熱量大部分殘留在切屑上，隨著切屑的斷裂和飛離而被帶走。每齒進給量不變，切削速度增加會使切削溫度近似呈線性增加。而切削速度不變，每齒進給量的增加僅導致切削溫度有輕微的增加。為了兼顧加工效率，推薦圓刀片可轉位銑刀加工鈦合金時的切削速度為75m/min。

在不同的加工參數下，刃口均發生了不同程度的缺口和塌陷；后刀面的磨損較為嚴重，而前刀面未出現典型的月牙洼磨損。在同等材料去除量條件下，后刀面磨損帶寬度受切削速度的影響更大，而每齒進給量變化帶來的影響相對較小。每齒進給量 fz= 0.30 mm/z是圓刀片在加工鈦合金時的較優參數。

參考文獻

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（注，原文標題：基于圓刀片可轉位銑刀的TC4銑削工藝參數優化_霍曉佩）

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