鈦合金加工整體立銑刀分屑槽設計研究*

洪培強

(廈門金鷺特種合金有限公司，福建 廈門 361021)

0 引言

鈦合金因具有高比強度、高比剛度、耐腐蝕等特點，在航空航天、輪船和化工等行業擁有較大的市場前景，但同時該材料切屑卷曲大、導熱性低，并易形成硬化層，是典型的難加工材料[1-2]。為保證加工效率，實際加工通常采用低切削速度、小進給量、大背吃刀量的加工方式[3]。因此，帶有分屑槽結構的長刃型立銑刀在鈦合金加工中得到廣泛應用。

目前，關于分屑槽的研究方向主要集中在以下幾個方面：第一，利用有限元仿真，結合切削用量和加工參數，探究分屑槽對切削排屑干涉的影響規律[4-6]；其次，根據刀具具體設計要求，優化分屑槽刀具的磨削加工工藝[7]；最后，對于特定銑刀，研究分屑槽槽型對刀具溫度、切削力和應力的影響，提高刀具壽命[8-9]。雖然在鉆頭、PCB銑刀等特定刀具的分屑槽槽型設計具有一定的研究進展，但對于通用型長刃立銑刀，分屑槽的設計仍停留在經驗階段，缺乏系統性設計方法。

為此，本文通過有限元仿真，根據鈦合金加工長刃立銑刀切削刃的熱力分布得出分屑槽的有效設計參數，并通過正交分析[10]，得出該設計參數對刀具切削壽命的影響程度，最終得到立銑刀分屑槽設計的最佳參數匹配。為通用型長刃立銑刀的分屑槽系統性設計提供行之有效的思路。

1 分屑槽立銑刀模型建立

為分析分屑槽對立銑刀切削力熱分布的影響，采用UG建立D12*40*100五刃圓角頭長刃立銑刀仿真模型，如圖1所示，立銑刀結構參數如表1所示，分屑槽采用等槽寬設計，槽寬0.2 mm，槽深0.2 mm。立銑刀材質采用硬質合金YT14，加工材料采用鈦合金TC4。

表1 五刃圓角頭立銑刀結構參數

圖1中，W為分屑槽寬度，H為分屑槽深度。

表1中，D為立銑刀刀具刃徑，λ為螺旋角，γ為周刃前角，α為周刃后角。

為簡化計算，截取五刃圓角頭立銑刀仿真模型帶分屑槽部分3 mm。采用自適應網格劃分方法，對TC4采用側銑加工，如圖2所示，側銑加工參數如表2所示。

表2 側銑加工參數

2 分屑槽加工受力分析

以表2參數進行側銑加工，采用ABAQUS仿真，切削刃受力分布如圖3所示。

由圖3可知，分屑槽兩端應變較切削刃其他部分更顯著，同時，由于分屑槽的影響，相鄰刃在分屑槽相同位置進給量是其他位置的2倍，導致切削刃產生應力集中，增大發生破損的風險。因此，分屑槽的結構設計直接影響刀具切削刃的受力分布和使用壽命。分屑槽的具體設計參數為分屑槽寬度、深度和長度。

另一方面，在加工過程中，切削刃磨損時，分屑槽前端寬度會變大，若采用常規分屑槽定槽寬設計，分屑槽后端存在與被加工工件干涉的風險，使刀具產生振動，降低刀具壽命和加工表面質量。故分屑槽寬度采用變寬度設計，具備自動補償功能，如圖4所示。

圖4中，Wmin為分屑槽前端寬度，Wmax為分屑槽后端寬度。

3 分屑槽關鍵設計參數識別

由上文可知，立銑刀分屑槽的主要設計參數為分屑槽前端寬度Wmin，分屑槽后端寬度Wmax，長度L和深度H。根據實際生產需求，D12的五刃圓角頭立銑刀分屑槽設計參數的取值范圍為0.05 mm≤Wmin≤0.2 mm，0.1 mm≤Wmax≤0.5 mm，0.3 mm≤L≤2.0 mm，0.2 mm≤H≤1.0 mm。該范圍在保證刀具加工效率的同時，刀具使用壽命不會產生過大的波動。

為比較設計參數對刀具的受力影響，利用有限元仿真模擬側銑試驗，并采用正交分析法，建立四因素三水平的因素水平表，分析前端寬度、后端寬度、長度和深度對刀具使用壽命的影響程度。以表2所示加工參數仿真，切削刃應力為判定基準，刀具應力越小、分布越均勻，刀具使用壽命越高，因素水平表如表3所示。

表3 分屑槽設計參數因素水平表

經計算各設計參數與應力曲線如圖5-圖8所示。

由圖5-圖8可知，Wmax對刀具應力影響最顯著，即分屑槽設計是最重要的結構參數。刀具應力隨著Wmax增加逐漸變大，但Wmax≥Wmin，Wmin大于0.125 mm后對刀具應力影響較小，同時刀具應力同樣隨著L增加逐漸變大，在H=0.6 mm時刀具應力最小。因此，硬質合金D12五刃圓角頭立銑刀分屑槽最佳參數為Wmin=0.125 mm，Wmax=0.3 mm，L=0.3 mm，H=0.6 mm。

4 實驗驗證

為驗證優化后帶分屑槽整體立銑刀的加工效果，分別制作圖1所示D12*40*100五刃圓角頭立銑刀和分屑槽優化后的五刃圓角頭立銑刀，如圖9所示，分屑槽如圖10所示。以后刀面磨損寬度0.3 mm作為刀具磨鈍基準，以表2銑削參數進行對比實驗。

經實驗可知，優化前銑刀銑削140 min，后刀面磨損0.304 mm；優化后銑刀銑削180 min，后刀面磨損0.307 mm，刀具使用壽命提高28.6%，刀具后刀面磨損如圖11所示。因此，優化后的分屑槽可有效降低鈦合金加工用整體立銑刀側銑時的刀具磨損，提高刀具使用壽命。

5 結論

通過有限元仿真結合銑削實驗分析，在本文設定的加工條件下，獲得結論如下：

1)經仿真分析可知，分屑槽前端寬度、后端寬度、長度和深度會直接影響刀具的受力分布和散熱條件，并影響刀具的使用壽命。

2)經仿真和正交分析，對刀具切削刃受力影響程度排名依次是分屑槽后端寬度、前端寬度、深度和長度。因此，應優先設計分屑槽后端寬度和前端寬度，在保證刀具切削效率的前提下，之后再決定分屑槽的深度和長度。

3)經對比實驗，分屑槽優化后刀具使用壽命提高28.6%，表明分屑槽優化可有效降低鈦合金加工用整體立銑刀側銑時的刀具磨損，提高刀具使用壽命。