钛合金因具有高比强度、高比模量、低线胀系数、耐冲击、耐磨,耐热等优良性能[1]而应用广泛。但钛合金难加工[2],在实际切削加工中,刀具耐用度低,刀具磨损严重,加工成本高,大大的阻碍了这类材料的应用与推广[3]。钛合金TB6是一种高韧、高强并且拥有优秀热加工性的近β型钛合金,和同强度结构钢或其他一些钛合金相比可大大降低结构质量[4]。
在金属切削加工过程中,刀具磨损是人们普遍关注的一个问题[5]。因为它涉及到很多方面的问题,对刀具寿命、加工的经济性、加工精度、加工工件的表面质量、可靠性等方面都有很大影响。国内外很多学者都对切削时刀具磨损进行了大量研究。ATTANASIO等对硬质合金刀具切削AISI1045时的刀具磨损进行了预测[6]。FILICE等对切削中碳钢时刀具磨损情况进行了预测[7]。郑敏利等使用未涂层硬质合金刀具进行钛合金外圆切削实验,发现刀具的磨损以扩散磨损、粘连磨损为主,且随切削速度和进给量的增大,刀具磨损加剧[8]。陈燕等使用软件对高速切削钛合金TC4时的刀具磨损进行了有限元分析,发现随切削速度增加刀具磨损加快,且切削速度为300 m/min时刀具寿命仅为130 m/min的1/3[9]。
本文通过在不同切削参数下对钛合金TB6进行干式正交切削试验,对比分析不同切削参数下的刀具磨损情况,并用实验结果进行回归分析得到刀具磨损的回归公式,为优化切削参数、提高刀具耐用度,降低加工成本提供一定参考。
1 实验 1.1 试验方案本次实验根据生产经验、文献数据、刀具厂商推荐值等综合考虑选定9组铣削参数,进行正交切削实验,铣削方式为顺铣。使用9把相同刀具进行实验。根据推荐的的耐用度实验标准,选取后刀面磨损量VB=0.25~0.3 mm作为刀具的磨损标准。使用显微照相机检测刀具的磨损情况,按实验预定的铣削参数加工工件,每隔一定时间停止加工,拍摄实验过程中刀具后刀面磨损图像,在软件中处理磨损图像,可得到当前刀具磨损情况。
采用正交试验方法设计实验,设计四因素三水平正交试验,四个因素为铣削速度、每齿进给量、切削深度,切削宽度。各因素水平见表 1。
因素水平 | 切削速度vc/m·min-1 | 每齿进给量fz/mm·z-1 | 切削深度ap/mm | 切削宽度ac/mm |
水平1 | 15 | 0.04 | 1 | 0.12 |
水平2 | 25 | 0.08 | 1.5 | 0.17 |
水平3 | 35 | 0.12 | 2 | 0.22 |
图 1为实验所用机床MVC1000,图 2为实验所用硬质合金刀具,55°整体合金立铣刀,φ6R0.5×15×φ6×50L×55°×4T。
1.3 实验材料实验采用TB6长方体材料,又称Ti-1023(典型的近β型钛合金),名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al。其化学成分及力学性能如表 2表 3所示。
使用显微照相机测量刀具的磨损情况。照相机与计算机相连,使用相关软件可将刀具磨损情况放大,便于在计算机上观察。将照相机固定在机床上,并将装夹好的刀具移到适当位置,记录当前坐标。经过一定时间的切削后,暂停切削,将刀具移到预先记录的坐标处,使用照相机观察并记录磨损情况。如未达到预定磨损量可继续切削一定时间后,暂停切削再次将刀具移到预先记录的坐标处,观察磨损情况,直至刀具达到预定磨损量为止。
1.5 测试标准在评定刀具材料切削性能和研究试验时,都以刀具表面的磨损量作为衡量刀具的磨钝标准。国际ISO推荐的刀具耐用度磨钝标准为后刀面磨损量:VB=0.3 mm,在实际应用经常根据所加工材料和刀具的具体情况在025~0.3 mm之间选择。由于钛合金为难加工材料,加工过程中刀具破坏形态比较复杂,所以在本次试验中取后刀面磨损量VB=0.26 mm作为本次试验的磨损标准。
2 结果与讨论按照指定的实验方案,在每组切削参数下,以后刀面磨损量VB=0.26 mm作为刀具的磨损标准,计算出每组所需要的切削时间并记录(表 4)。实验所用试件为一长方体钛合金,切削时沿一个方向进行多次重复切削,记录下每组实验重复切削次数和时间,当刀具后刀面磨损量0.26 mm时停止切削,此时所切削的时间即为刀具耐用度。
实验号 | 水平组合 | 铣削深度ap /mm | 铣削宽度ae/ mm | 进给量fz /mm·z-1 | 切削速度vc / m·min-1 | 耐用度t/min | 切削次数 |
1 | A1B1C1D1 | 1 | 0.12 | 0.04 | 15 | 218 | 154 |
2 | A1B2C2D2 | 1.5 | 0.17 | 0.08 | 15 | 190 | 270 |
3 | A1B3C3D3 | 2 | 0.22 | 0.12 | 15 | 65 | 138 |
4 | A2B1C2D3 | 1.5 | 0.22 | 0.04 | 25 | 144 | 170 |
5 | A2B2C2D1 | 2 | 0.12 | 0.08 | 25 | 38 | 90 |
6 | A2B3C1D2 | 1 | 0.17 | 0.12 | 25 | 25 | 90 |
7 | A3B1C3D2 | 2 | 0.17 | 0.04 | 35 | 55 | 92 |
8 | A3B2C1D3 | 1 | 0.22 | 0.08 | 35 | 18 | 60 |
9 | A3B3C2D1 | 1.5 | 0.12 | 0.12 | 35 | 8 | 40 |
图 3为某一次显微照相机通过计算机对切削时刀具磨损情况的测量,刀尖处白亮带为刀具磨损,通过计算机测量其宽度。
使用spss对实验结果进行回归分析,得到刀具耐用度的回归方程:
$ T = 3741 \times {a_{\rm{p}}}^{0.051} \times {a_{\rm{c}}}^{0.13} \times {f_{\rm{z}}}^{ - 0.624} \times {v_{\rm{c}}}^{ - 0.745} $ |
回归公式的模型误差如表 5所示,可以看出回归方程R方差及调整R方差均在0.9以上,能够很好地对刀具耐用度进行预测。
通过图 4~图 7几幅散点图,可以看出,切削深度和切削宽度与时间的线性关系不显著,而进给量和切削速度与时间的线性关系较为显著。
3 结论通过研究不同切削参数下切削钛合金TB6时刀具的磨损情况,得出以下结论:
(1) 在不同切削参数下的刀具主要磨损位置相似,大都出现在后刀面位置,前刀面磨损较后刀面不明显。后刀面的磨损大都呈现一条带状磨损带,且随速度增大磨损带会变长。在速度增大时,刀具易发生脆性破损,且在刀具表面会出现钛合金粘连。
(2) 通过本次试验可以看出,在TB6铣削加工时,切削速度、进给量,切削宽度和切削深度都会影响刀具耐用度。而对耐用度的影响较大的是切削速度, ,其次分别为进给量、切削宽度和切削深度。
(3) 通过实验得到的实验数据,实用软件进行回归分析,得到了刀具磨损时间回归方程,且可靠性良好。
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