基于正交試驗法的TC4 鈦合金銑削參數(shù)優(yōu)化

吳彬，張登清，張斌

（中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京 210016）

0 引言

鈦合金具有比強度高、熱強度高、抗蝕性能好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空、宇航及汽車工業(yè)，但鈦合金屬于典型的難加工材料［1-2］。其切削特性表現(xiàn)為：1）化學(xué)活性大，高溫時會形成很高的硬化層；親和性也大，易與摩擦表面發(fā)生粘附現(xiàn)象。2）導(dǎo)熱性差，切削過程散熱差，致使刀具切削刃的溫度大幅上升，刀具磨損加快，壽命縮短。3）彈性模量小，在切削力作用下，容易產(chǎn)生變形，同時加工表面回彈，使刀具后刀面與已加工表面發(fā)生劇烈摩擦［3］。

本文通過正交試驗方法對刀具的不同切削參數(shù)下的磨損狀態(tài)和機理展開分析，同時對比各種參數(shù)的切削效率，以得到優(yōu)化的切削參數(shù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗條件

試驗所用TC4 材料是厚度為15 mm 的退火狀態(tài)板材，主要成分為Ti-6Al-4V。試驗在南通機床廠生產(chǎn)的VMCL600 立式加工中心上進行。刀具選用國產(chǎn)CNTT 帶TiAlN 涂層的硬質(zhì)合金φ8 立銑刀。冷卻和潤滑選用Castrol 水溶性切削液。采用型號為Leica DM4000 M 的體式顯微鏡系統(tǒng)對刀具前刀面及后刀面的磨損量及形貌進行分析和拍照。

1.2 試驗方案

鈦合金切削過程中磨損形式較多，前、后刀面均有磨損，且邊界磨損也較為嚴(yán)重，因后刀面的磨損直接影響零件的加工精度，且又便于測量，本文以后刀面的磨損值VB 來衡量刀具的磨損程度。試驗所用立銑刀為四刃立銑刀，因切削過程中4 條切削刃磨損較為均勻，且單條切削刃急劇磨損后，整個刀具壽命也隨之急劇下降，因此采用磨損最為嚴(yán)重的切削刃的磨損量為VB 值［4］。

由于影響刀具磨損的切削參數(shù)多，各因素水平差異大，且鈦合金切削試驗成本高、耗時長等特點，本文采用單指標(biāo)四因素三水平的L9（34）正交試驗方法進行切削試驗。指標(biāo)為刀具磨損量VB 值，因素水平如表1 所示。

表1 因素水平表

試驗采用表2 中9 種參數(shù)分別對100 cm3的TC4 鈦合金進行切削，每種參數(shù)重復(fù)3 次取平均后得到VB 值見表2。

表2 TC4 銑削正交實驗表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 切削參數(shù)優(yōu)化結(jié)果與分析

切削參數(shù)優(yōu)化中不僅要有最小的VB 值，且也要兼顧適當(dāng)?shù)那邢餍省Ｇ邢餍师?值可通過式（1）計算，得結(jié)果如表2 所示。

由正交試驗表單指標(biāo)VB 值直接分析得到的最佳切削參數(shù)為TC4-4 和TC4-9；而引入切削效率η 后，對比兩組參數(shù)分析得到的最佳參數(shù)為TC4-9。

為進一步分析各因素水平對VB值的影響，計算各因素水平下的k 值并畫出趨勢圖如圖1所示。通過對極差分析下的最優(yōu)切削參數(shù)進行切削驗證得到VB 值如表3 所示。

圖1 各因素水平對刀具磨損量VB 值的影響趨勢

表3 極差分析下的最優(yōu)切削參數(shù)

對比直接分析和極差分析下的四組切削參數(shù)，TC-9號試驗參數(shù)雖然不具有最低的刀具磨損量，但切削效率相比有很大提高，因此更適合實際生產(chǎn)中的切削加工。

2.2 刀具磨損形態(tài)分析

圖2 為刀具前刀面磨損形態(tài)圖。鈦合金具有一定的彈性和塑性，且導(dǎo)熱性差，刀刃切入零件中溫度急劇上升，切屑與前刀面在高溫高壓下相互接觸，產(chǎn)生劇烈摩擦，形成月牙洼磨損。這一磨損形態(tài)大多發(fā)生在相對高速（v=75 m/min）的切削狀態(tài)中。

圖3 為刀具后刀面的磨損形態(tài)圖。因鈦合金材料加工硬化性高，切削力大，切削溫度高，刀具易被硬化的切屑擦傷，且刀具在已硬化的加工表面切削時，加工性差，圖3 中所有刀具的刀刃均出現(xiàn)了明顯的邊界磨損。

圖2 刀具前刀面磨損形態(tài)

刀具在滿刀切削時，刀具切削力增大，切削溫度升高，散熱條件差，后刀面磨損嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，如圖3（c）、圖3（e）、圖3（h）所示。

圖3 刀具后刀面磨損形態(tài)

3 結(jié)論

本文以鈦合金TC4 材料為研究對象，采用正交試驗法對其進行了銑削參數(shù)研究，通過對比銑削刀具的磨損及切削效率得到了優(yōu)化的切削參數(shù)，每齒進給、切深、切寬、轉(zhuǎn)速分別為0.04 mm/z、4 mm、5 mm、50 m/min。該參數(shù)下每銑削100 cm3TC4 材料時，刀具磨損量VB=0.12 mm，切削效率可達6.4 cm3/min。

刀具磨損以邊界磨損及后刀面磨損為主，刀具在相對高速切削時前刀面出現(xiàn)了月牙洼磨損。

［1］張春江.鈦合金切削加工技術(shù)［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1986：22-24.

［2］張喜燕.鈦合金及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：285-306.

［3］李友生，鄧建新，張輝.高速車削鈦合金的硬質(zhì)合金刀具磨損機理研究［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2008（5）：443-447.

［4］Ezugwu E O，Silva R B D，Bonney J，et al.Evaluation of the performance of CBN tools when turning Ti-6Al-4V alloy with high pressure coolant supplies ［J］.International Journal of Machine Tool &Manufacture，2005（45）：1009-1014.