切削方式对硬质合金刀具轴向车铣钛合金试验分析

石莉，王书利，张莹，姜增辉

(1.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳，110159；2.内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古包头，014030)

0 引言

车铣技术是一种先进高效的金属切削方法，依据工件旋转轴线与刀具旋转轴线相对位置的不同，可分为轴向车铣、正交车铣以及一般车铣。依据工件和刀具旋转相对方向的不同，又可分为顺铣和逆铣。轴向车铣可以进行外圆和内孔的加工，如果配备特殊的工艺装备，可以加工轴向行程较长的外圆表面及较深的内孔表面，为其提供一种新的加工途径。

姜增辉教授在《车铣技术》中通过研究外圆表面运动轨迹指出，对于外圆表面要求形状误差较严格的工件和要求较高金属切除率时，应采用逆铣；从切削平稳和刀具尽可能免受过强冲击载荷角度分析，应尽量避免采用轴向顺铣[1]。但这仅是理论上的仿真研究，实际生产加工要受到加工方法、刀具材料、刀具角度及工件材料等众多因素的影响。姜增辉、王文凯等对高速轴向车铣 TC4 内孔的硬质合金刀具磨损特性进行研究，研究了切削速度为200m/min时轴向车铣内孔时刀具的磨损特性及原因，并得出轴向车技加工内孔时顺铣加工优于逆铣加工[2]，但关于切削方式对轴向车铣加工钛合金内外表面的综合性研究的文献并不多。

钛合金是一种难加工材料，严重的黏结磨损一直制约着钛合金的高效加工。本文在不同铣削方式下对硬质合金刀具轴向车铣钛合金进行切削试验，探究两种切削方式下刀具的切削性能及其对钛合金表面质量的影响情况，对钛合金的轴向车铣加工提供一定的参考。

1 试验条件

1.1 工件材料

工件材料选用 TC4 钛合金厚壁管，外圆直径140mm，内孔直径 50mm，工件长度300mm。

1.2 主要试验设备

试验机床 : MAZAK200Y 卧式车铣加工中心如山特维克可乐满立铣刀。刀杆型号为R390-025A25-11L，刀片 型号为 R390-11T308M-KL，牌号为 S30T图 1。

图1 车铣加工机床和刀具

1.3 试验参数

干式轴向车铣外圆和内孔，切削参数：切削深度5mm，轴向进给量0.4mm，每齿进给量0.1mm/z,切削速度：150m/min和200m/m；铣削方式：顺铣和逆铣。

2 结果与分析

2.1 轴向车铣外圆和内孔磨损形态对比分析

图2为轴向车铣TC4钛合金外圆时在顺铣和逆铣两种切削条件下S30T刀具后刀面磨损量即将达到或已经达到磨钝标准时刀具磨损形貌图，图2a）和b）轴向顺铣时，刀具前刀面和后刀面磨损主要以粘结磨损为主，刀具前后刀面，特别是刀尖圆弧附近都有不同程度的切屑粘结，副切削刃附近有一定程度的涂层的撕裂。图2 c)和d）为轴向逆铣时，刀具前后刀面的磨损图，可以看出切屑粘结比较严重，而且是大量切屑的粘结，严重影响正常的切削过程，工件表面质量差，刀具快速磨损。

图2 轴向车铣外圆刀具磨损形貌

图3为轴向车铣TC4钛合金内孔时在顺铣和逆铣两种切削条件下S30T刀具后刀面磨损量即将达到或已经达到磨钝标准时刀具磨损形貌图，图图3a）和b）轴向顺铣时，刀具前刀面和后刀面磨损主要以粘结磨损为主，前刀面特别是刀尖圆弧出现塌陷凹坑，后刀面出现不同程度粘结坑，刀具材料被粘结切屑带走。图3 c)和d）为轴向逆铣时，刀具前后刀面的磨损图，可以看出切屑粘结比顺铣加工严重，切屑粘结的程度加重。

图3 轴向车铣内孔刀具磨损形貌

2.2 轴向车铣外圆和内孔刀具磨损曲线及表面质量对比分析

图4为两种切削速度时两种切削方式下S30T刀具磨损曲线图。由图可知,无论是外圆加工还是内孔加工，顺铣模式下刀具的寿命较长，逆铣模式刀具寿命较短。当切削速度为150m/min时，由图4（a)可知逆铣外圆时刀具寿命最短。图5为逆铣轴向车铣时刀具与工件运动位置关系图，逆铣加工时刀具主运动方向与工件进给运动方向相反，实现由里向外切削，再加上正的刃倾角使刀尖圆弧附近的切削刃首先参与切削，逆铣时切削厚度由小变大，刀具与工件之间的挤压与摩擦较大，刀具切出时切削厚度最大，再加上钛合金好的韧性和表面活性，在切削温度比较高的切削区域，刚剥离工件的切屑在较大摩擦和挤压作用下，极易粘接在前刀面上，有图2b)刀具磨损图片可以得到证实。大量的切屑粘接在前刀面进一步削弱刀具的切削性能，同时粘结的切屑又参与到后续的切削过程，进一步挤压和撕裂，甚至粘结在工件上，使表面质量恶化，切削速度越高，此类现象越严重，图6为v=200mm/min时加工后的工件表面，显然在刀具、切屑和已加工表面之间发生了明显的粘屑和撕屑现象。在轴向车铣钛合金外圆过程中切削速度不应太高或尽量避免采用逆铣的加工方式。逆铣轴向车铣内孔时受刀具和工件相对位置的改变，使切削条件有所改善，表面质量较逆铣外圆好，但如果不及时处理切屑，切屑易会粘接在已加工内孔表面，使内孔表面质量变差。顺铣加工外圆和内孔时表面质量较好，没有出现切屑被撕裂并粘结在已加工表面上的现象。

图4 为两种切削速度时两种切削方式下S30T刀具磨损曲线图。

图5 逆铣外圆刀具运动位置关系图

图6 逆铣外圆已加工表面

3 结语

本文通过试验研究了硬质合金S30T刀具轴向车铣时在两种不同切削方式下刀具的磨损形态、刀具磨损曲线及表面质量特征，得出以下结论：

轴向车铣外圆或内孔，同等条件下顺铣时刀具寿命较逆铣时刀具寿命长。

轴向车铣外圆或内孔，同等条件下顺铣时表面质量较逆铣时表面质量好。

轴向车铣钛合金时，优先选用顺铣加工方式。

轴向车铣时应使刀具和工件处于利于排屑的相对位置。