硬質合金刀具銑削參數對激光熔覆TC4 合金切削力的影響研究

陳 莉，張美娟

（1.新鄉職業技術學院現代設計與工程學院，河南 新鄉 453000；2.新鄉市職業教育中心技能辦，河南 新鄉 453000）

0 引言

Ti-6Al-4V 鈦合金即TC4，是一種具備高比強度、韌性好、耐高溫氧化的合金材料，目前已在多個重要工業領域得到了廣泛使用，在高性能航空器材、生物醫學器械、交通設施、精密檢測儀器等設備設施的研發中發揮了關鍵的技術支撐作用[1]。鈦合金已在航空工業領域作為一種重要戰略材料，可將其用于制備航空發動機葉片等，對航空技術的應用發揮了巨大促進作用[2-3]。根據不同的成型工藝，可以將鈦合金分成鍛造、鑄造、增材加工等多種類型，而鑄造鈦合金則是現階段應用最廣泛的一類合金材料。同時考慮到激光增材方法加工鈦合金TC4 時具備工藝靈活、可靠性良好的優勢，可以實現航空部件缺陷修復以及制備出優異耐高溫性能的防護涂層。

也正是由于鈦合金自身具備優異力學特性而對加工過程帶來了較大困難。進行鈦合金加工時需要施加很大的切削力，并且會產生很高的切削溫度，導致刀具出現明顯顫振以及表面磨損的問題，屬于一類加工難度很大的合金[4]。到目前為止，已有許多學者對鈦合金加工開展了深入研究，分別從材料加工特性、工藝調整與切屑影響層面進行了深入探討。Hojati[5]分別對增材制造與鑄造工藝制備的鈦合金微銑削特性進行了研究，結果顯示電子束熔覆處理的鈦合金微銑削表面相對常規鈦合金表面質量更優，而兩者切削力基本一致。Huang[6]對比了不同冷卻條件引起的鈦合金切削特性差異性。Singh[7]主要測試了不同刀具涂層下的鑄造鈦合金加工特性變化情況。王情情[8]則通過實驗分析了TC4 切削時的顯微組織結構變化特征。

目前關于激光增材TC4 合金的高速切削方面的文獻報道還很少。本文通過設計高速銑削測試方案，比較了TC4 合金在鑄造與激光熔覆條件下的切削性能差異。

1 實驗原理及方案

1.1 實驗材料與試樣制備

選擇鈦合金基板作為實驗材料，通過Lasertel 激光器施加能量，控制功率為3 250 W，利用R-2000iB六軸機器人設置熔覆軌跡，控制掃描速率5 mm/s，光斑大小12 mm×3 mm。鋪設3 mm 厚的金屬粉，保持熔覆層的間距為0.6 mm。進行熔覆處理時，保持激光頭與熔覆層的表層間距為285 mm。同時在熔覆階段一直通入氬氣提供保護氛圍，避免表面區域發生氧化。按照上述處理進行激光熔覆制得TC4 試樣。

對激光熔覆TC4 試樣實施高速切削。以線切割方式將鈦合金板加工成50 mm×40 mm×40 mm 的試樣。通過專用夾具對試樣進行固定，再對夾具位置進行調節，使其達到與坐標軸平行的狀態，從而確保銑削時可實現切削力的精確控制。

動態切削力測試平臺如圖1 所示，從圖1 中可以看到，進行高速銑削時，在測力儀中設置了Kistler9265B 壓電檢測器。主切削力（Ft）是沿銑刀圓周切線的作用力，該方向上消耗功率最大，對切削過程存在顯著影響，本文針對影響主切削力的各項因素展開深入分析。

圖1 動態切削力測試平臺

1.2 實驗方案

表1 為銑削測試的具體參數，設計單因素影響方案，對比了不同切削速率、切削深度、單齒進給量引起的切削力差異性，采用逆銑方式進行實驗測試。

表1 銑削實驗參數表

2 實驗結果分析

2.1 銑削方向對主切削力的影響

圖2 是對激光熔覆工藝與鑄造工藝制備的鈦合金TC4 進行銑削時設置不同銑削方向時引起的主切削力變化結果。通過實驗測試發現，銑削加工激光熔覆鈦合金時存在各向異性，與熔覆軌跡保持相同方向銑削，形成了比90°方向更高的主切削力。這是因為在鈦合金的增材加工期間，熱量主要通過激光產生。受到激光的能量作用后，逐漸形成相互疊加的熔覆層。隨著光斑不斷往前移動時，材料在結晶階段發生了大幅的溫度波動。而材料處于不同溫度梯度下時，則會使材料金相結構出現較大差異，最終導致材料微觀力學特性發生明顯改變，表現出不同的宏觀切削力。

圖2 銑削方向與工藝對主切削力的影響

2.2 每齒進給量對主切削力的影響

圖3 給出了不同單齒進給量引起的鈦合金主削力變化情況，設定銑削速度v 為400 mm/min，de為0.8 mm。對鈦合金TC4 進行銑削處理時，逐漸增大單齒進給量時，主切削力呈現持續上升趨勢。這是由于增大單齒進給量后，單個切削刃形成了更大的最高切削厚度，并且形成了更大體積的未切削層，導致切削抗力的顯著升高。同時需注意，因銑刀表面呈螺旋角結構，進行銑削處理時共同受到硬質合金銑刀表面多個切削刃的切入-切出影響。增大切削刃數后，將會引起銑削階段形成更大主切削力。同時在銑削測試過程中，對兩種鈦合金進行測試時均發現主切削力滿足90°方向銑削力最小的特點。

圖3 每齒進給量對主切削力的影響

2.3 銑削深度對主切削力的影響

圖4 為不同銑削深度下的主切削力變化結果，此時v 為200 mm/min，fz為0.06 mm。結果發現，增大銑削深度后，主切削力線性升高。這是由于增大銑削深度后，導致材料去除時需克服更大能量，切削刃受到了更大切削抗力。

圖4 銑削深度對主切削力的影響

2.4 銑削速度對主切削力的影響

圖5 是在不同銑削速度下對TC4 銑削時主切削力變化情況，此時fz為0.04 mm，de為0.4 mm。結果表明，當銑削速度介于100～400 mm/min 時，提高銑削速度后，形成了更大的銑削主切削力。而當銑削速度進一步增大時，主切削力則進入相對穩定的狀態。從測試結果分析可知，以更快速率進行切削有助于改善鈦合金加工性能。

圖5 銑削速度對主切削力的影響

3 結論

1）銑削加工激光熔覆鈦合金時存在各向異性，與熔覆軌跡保持相同方向銑削，形成了比90°方向更高的主切削力。

2）逐漸增大單齒進給量時，主切削力持續上升，在銑削階段形成更大主切削力。

3）增大銑削深度后，致使材料去除需克服更大能量，增大銑削深度后，主切削力線性升高。

4）提高銑削速度后，形成了更大的銑削主切削力，隨之進入相對穩定的狀態。