Ti-6Al-4V(TC4)屬于一種高比強度、優異韌性以及耐高溫環境的合金，被廣泛應用于各種核心工業領域，如航空航天、醫療設備、交通運輸、精密測量設備等，為這些領域的技術進步提供了重要支持。可將其用于制造高強度罩殼、支撐座架、排氣裝置、隔熱層和耐熱蒙皮，從而極大地推動了航空技術的快速進步[2]。

按制造工藝，鈦合金分為鍛造、鑄造等類別。其加工時切削力大、溫度高，易引發刀具振動和表面嚴重磨損，故為難加工材料[3]。馮亞洲等[4]設計了基于深度學習和BP網絡的鈦合金容屑系數預測方法，模型決定系數超0.9，切屑以短帶狀為主，加工穩定。張澤華等[5]對鈦合金開展微孔鉆削Deform-3D仿真與試驗，結果表明超聲振動鉆削較普通鉆削在軸向力和溫度上均有明顯降低。

本文在前人研究的基礎上，開展TC4合金高速銑削時主切削力研究，加強參數優化分析，研究結果具有很高的實際意義。

1、實驗設置

1.1　試樣制備

以鈦合金板為對象，采用Lasertel激光器進行激光熔覆，參數為：功率3250W，掃描速度5mm/s，光斑尺寸12mm×3mm，粉層厚度3mm，熔覆層距0.6mm，激光頭與熔覆面間距285mm，通入氬氣保護，成功制備TC4試樣。隨后開展切削實驗，通過精細線切割將試樣加工至50mm×40mm×40mm，并用精密夾具固定，確保切削力分布可控。

在進行高速銑削的過程中，在系統中安裝了Kistler 9265B壓電傳感器用于實時測量切削力。主切削力(Ft)作為沿著銑刀運動軌跡的最大作用力，對整個切削過程至關重要，因此，本研究深入剖析了影響這一關鍵參數的各種因素。

1.2　實驗方案

本實驗進行銑削試驗的工藝條件如下：銑床型號為FANUC-D14MiA立式加工中心，Walter WMG40型硬質合金刀具，銑刀直徑為20mm，刀具參數為前角12°，后角14°，螺旋角35°，銑削速度為100～800mm/min，進給量為0.02～0.10mm/r，切削深度為0.4～1.2mm。開展單齒切削試驗，分別比較切削速度、深度和進給量等因素對切削力產生的影響。

2、參數對主切削力的影響分析

2.1　銑削方向分析

圖1是對本實驗設定的各個銑削方向采用兩種方法進行處理所得的結果，可以看到此時的切削力發生了改變。通過試驗研究可知，在銑削期間材料表面呈現各向同性特征，且沿同一路徑進行銑削時，產生的主切削力超過了90N。這是由于在增材制造過程中，大部分熱量都是由激光照射引起。在激光照射下，涂層表面形成了重疊的涂層。當光點繼續前進時，晶體溫度出現了劇烈變化。在設定溫度梯度下，合金的顯微組織也會發生很大的變化，從而使合金力學性能發生變化。

2.2　進給量分析

圖2是在設定各個單齒進給量下所導致的鈦合金主切削力變化情況，設定控制速度為400mm/min，銑削深度為0.8mm。隨著進給速度的提高，鈦基復合材料形成了更大的主切削力。這是因為增加單齒進給量可以使各刀刃產生較大切屑厚度并獲得更多未切除物料，從而使切削阻力明顯增加。由于銑刀呈現螺旋角結構，在進行銑削加工的過程中，刀具多個刀刃會產生切出效應。在加工過程中，隨著刀具刃口切入量增大，加工過程中產生了較大的主切削力。對兩種不同類型鈦基材料進行銑削試驗可以確定主切削力在90°銑削方向時載荷最小的性能指標。

2.3　銑削深度分析

圖3是在設定銑削速度為200mm/min和進給量為0.06mm/z的情況下，以不同銑削深度測試得到的主切削力數據。研究結果表明，隨著加工深度的增加，主切向力呈直線上升的趨勢。這是因為隨著銑削深度增加，刀具需要抵抗更大的能量，此時刃口阻力也明顯增大。

2.4　銑削速度分析

圖4為不同銑削速度下的主切削力結果(銑削深度0.04mm)。當銑削速度低于400m/min時，主切削力隨速度增大而明顯增加；超過該值后趨于穩定。實驗結果表明，適當提高切削速度有助于優化鈦合金的加工性能。

3、結論

本文針對激光熔覆TC4合金高速銑削時的主切削力進行分析，并優化工藝參數。材料表面呈現同向特征，沿同一路徑銑削時主切削力超過了90N，呈現出顯著的切削作用力。隨著進給速度、切削深度和切削速度的增加，銑削主切削力增加。后續需要通過表面檢測來證明優化參數的有效性。

參考文獻

[1] 賈宗強，白海清，張鑫何，等. TC4鈦合金材料鉆削仿真與參數優化[J]. 兵器裝備工程學報，2023，44(10)：94-105.

[2] 李云義，李樹健，李鵬南，等. CFRP/TC4疊層結構鉆削仿真與實驗研究[J]. 宇航材料工藝，2023，53(06)：32-39.

[3] 梁桂強，劉昂馳，高源. 鈦合金Ti6Al4V與鋁合金Al7075-T651鉆削性能仿真對比分析[J]. 組合機床與自動化加工技術，2023(04)：133-136.

[4] 馮亞洲，陶覓辰，劉戰鋒，等. 基于深度學習的TC32鈦合金BTA深孔鉆削容屑系數和切屑形態研究[J]. 制造技術與機床，2024(04)：57-62.

[5] 張澤華，董志國，曹桂新，等. Ti6Al4V分離型超聲振動微鉆削的鉆削特性仿真與試驗研究[J]. 工具技術，2023，57(09)：64-68.

[6] 馮亞洲，黃帥澎，劉雁蜀，等. TA15鈦合金深孔鉆削試驗研究[J]. 制造技術與機床，2022(02)：39-42.

（注，原文標題：TC4合金高速銑削時主切削力分析及參數優化_程香）

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