加工TC4鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片球型刀的試驗(yàn)研究

唐林虎 謝黎明 馬 肅 羅文翠

(①蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校機(jī)械工程系，甘肅蘭州 730050;②蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050;③蘭州理工大學(xué)數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730050;④蘭州飛行控制有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730070)

鈦合金具有重量輕，強(qiáng)度高，耐熱，耐腐蝕，疲勞性能好等一系列優(yōu)良的力學(xué)、物理性能，成為航空航天等領(lǐng)域理想的結(jié)構(gòu)材料之一［1，2］。但是，鈦合金由于其導(dǎo)熱系數(shù)低，化學(xué)活性大，彈性模量低，化學(xué)親合力強(qiáng)等特性，被認(rèn)為是難加工的材料之一［3，4］。

1 問題的提出

蘭州某航空軍工企業(yè)加工發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，材料為TC4，葉片的形狀特點(diǎn)為:工作面為曲面薄壁且長度較長，毛坯加工余量大，且余量不均勻，有的部位加工余量為2～3 mm，而零件邊緣厚度余量僅為0.8 mm。主要配合表面的尺寸精度及形位公差要求較高。

因此，銑削加工時(shí)，必須按粗銑－精銑順序進(jìn)行，以減小加工表面殘余應(yīng)力，防止變形。該單位為了縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本，提高加工質(zhì)量，對(duì)球型刀的材料、幾何角度、使用壽命及切削用量提出了要求。

2 球型刀的設(shè)計(jì)與制造

2.1 球型刀材料的確定

設(shè)計(jì)球型刀時(shí)，選用球型刀材料為硬質(zhì)合金K30，它具有高強(qiáng)度、高抗彎強(qiáng)度、熱硬性、耐磨性、散熱性好的特點(diǎn)和一定的耐沖擊韌性，加工工藝性也較好。

2.2 球型刀幾何參數(shù)的確定

刀具幾何參數(shù)是否合理，會(huì)直接影響刀具的使用壽命。下面針對(duì)粗、精加工分別設(shè)計(jì)刀具幾何參數(shù)。

(1)粗加工時(shí)，由于葉片加工余量大，為提高刀具切削刃強(qiáng)度，以及散熱能力，且切削時(shí)易排屑，刀具應(yīng)采用較小前角γ=4°，第一后角α1=10°，第二后角α2=18°，齒數(shù)Z=3。為了保證切削平穩(wěn)，采用較大的螺旋角β=35°，切削刃的長度為25 mm。

(2)精加工時(shí)，為使刀具的切削刃鋒利，減小切削變形，從而提高工件表面的加工質(zhì)量，刀具采用前角γ=8°，第一后角 α1=12°，第二后角 α2=20°，齒數(shù)Z=4，螺旋角β=30°，切削刃的長度為30 mm。

2.3 球型刀的加工

以前該廠使用老設(shè)備進(jìn)行刀具生產(chǎn)，設(shè)備性能落后，加工范圍狹小，加工的品種和產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了該廠實(shí)際生產(chǎn)所需。現(xiàn)該廠采用從德國德克公司進(jìn)口的S20E數(shù)控磨刀機(jī)來進(jìn)行刀具的制造。該設(shè)備采用六軸五聯(lián)動(dòng)控制，不僅可加工生產(chǎn)新刀具，還可對(duì)磨損刀具進(jìn)行返修，所加工刀具精度可達(dá)0.003 mm。

3 球型刀的切削試驗(yàn)

下面通過切削試驗(yàn)，來研究加工過程中刀具磨損量的變化對(duì)表面粗糙度的影響以及刀具進(jìn)入相對(duì)正常磨損區(qū)的時(shí)間。

3.1 試驗(yàn)條件

3.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

為提高加工效率，縮短加工周期，降低制造成本，設(shè)備選擇數(shù)控銑床TK5650。采用SRT－2型表面粗糙度儀測(cè)量加工表面粗糙度;采用Nikon顯微鏡觀測(cè)刀具的磨損狀況及加工葉片的表面形貌。

3.1.2 切削用量的選擇

切削用量采用粗(1#試驗(yàn))、精(2#試驗(yàn))加工采用的切削參數(shù)，見表1。所有的切削過程加注充足的水溶性油質(zhì)切削液。

表1 試驗(yàn)切削參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通常將后刀面磨損量VB作為衡量刀具壽命的主要標(biāo)準(zhǔn)。因后刀面的劇烈磨損會(huì)惡化加工表面粗糙度和尺寸精度，因此，有必要確定刀具的相對(duì)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。

圖1為刀具后刀面磨損量VB隨切削時(shí)間的變化情況。由圖1可知:

(1)第一切削階段，切削刃由鋒利狀態(tài)快速磨損;當(dāng)切削進(jìn)入第二階段時(shí)，刀刃的磨損率減小了，刀具處于正常磨損階段;最后，在第三切削階段，刀具以較快速度磨損，進(jìn)入了急劇磨損階段。

(2)球型刀在1#試驗(yàn)數(shù)據(jù)(粗加工)下切削的初期，刀具的磨損率比2#試驗(yàn)數(shù)據(jù)(精加工)下大。

(3)第三階段，刀具的磨損量急劇增大，是因?yàn)榈度薪佑|區(qū)的幾何參數(shù)發(fā)生了顯著變化，從而導(dǎo)致切削力的增大以及切削溫度的突然升高。這些現(xiàn)象將會(huì)軟化切削刃，降低工件的屈服強(qiáng)度，這與Mohammad Usman Ghani等人的研究結(jié)果吻合［5］。

圖2為加工表面粗糙度Ra隨切削時(shí)間的變化情況。由圖2可知:

(1)第一階段，葉片的表面粗糙度值隨切削時(shí)間有一定程度的減小，這是由于刀尖的部分磨損起到了修光刃的作用，使加工更為平穩(wěn)，表面質(zhì)量有所提高。第二階段，加工情況相對(duì)穩(wěn)定，表面粗糙度值變化平穩(wěn)，加工表面質(zhì)量較好。第三階段，表面粗糙度值逐漸增大，此后，表面粗糙度值急劇增大。

(2)當(dāng)?shù)毒哌_(dá)到相對(duì)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)后，在小切削深度與低進(jìn)給量下，由于磨鈍的刀刃很大程度上在擠壓加工表面，使得精加工表面粗糙度比粗加工表面粗糙度惡化程度嚴(yán)重，這與A.Rahmath Zareena等人 的研究結(jié)果吻合［3］。

綜合圖1、2的分析可知，精加工過程中，由于球型刀后刀面的磨損對(duì)鈦合金葉片表面加工質(zhì)量影響較大，當(dāng)?shù)毒咂渌课坏哪p量還不大時(shí)，刀具因后刀面磨損已難以繼續(xù)進(jìn)行精加工了。因此，精加工時(shí)，后刀面磨損量VB≈0.03 mm為相對(duì)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。在粗加工時(shí)，后刀面磨損量VB≈0.05 mm為相對(duì)磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。

加工好的葉片，經(jīng)檢驗(yàn)、計(jì)量，各尺寸及形位公差均符合圖紙要求。實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際加工中，粗、精切削時(shí)刀具的實(shí)際耐用度分別達(dá)到了300 min和360 min。

4 結(jié)語

針對(duì)鈦合發(fā)動(dòng)機(jī)金葉片的實(shí)際要求，從球型刀設(shè)計(jì)出發(fā)，根據(jù)大量的切削試驗(yàn)，確定了刀具的材料，以及粗、精加工時(shí)刀具的幾何參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析了刀具磨損以及表面粗糙度值隨切削時(shí)間的變化規(guī)律，確定了在粗、精加工條件下刀具的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)論對(duì)硬質(zhì)合金球型刀切削TC4鈦合金葉片在機(jī)械制造中具有實(shí)際的指導(dǎo)意義與參考價(jià)值。

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2 Ezugwu E O，Bonney J，Yamane Y.An overview of the machin—ability of aeroengine alloys［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，134(2):233－253

3 A.Rahmath Zareena，M.Rahman，Y.S.Wong.Binderless CBN Tools，a Breakthrough for Machining Titanium Alloys［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2005，127:277－279

4 Cheharon C H.Jawaid A The effect of machining on surface in.tegrity oftitanium［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，166(2):188－192

5 Mohammad Usman Ghani，Nuri A.Abukhshim，M.A.Sheikh.An investigation of heat partition and tool wear in hard turning of H13 tool steel with CBN cutting tools［J］.Int J Adv Technol，2008，39:874 －888