损伤容限型钛合金正交车铣切削温度研究

2022-11-15秦录芳孙涛

工具技术 2022年9期

关键词：铣刀热电偶偏心

秦录芳，孙涛

徐州工程学院机电工程学院

1 引言

损伤容限型TC21钛合金拥有良好的力学性能(较低的疲劳裂纹扩展速率、较高的高温静强度及较好的热稳定性等)和工艺性能(较优的可锻性及焊接性等)，广泛应用于航空航天关键承力部件[1]。

和其他钛合金一样，TC21钛合金属于难加工材料。相对于TC4钛合金，TC21的低导热率使其在切削加工中不可避免地存在切削温度高和刀具磨损快的情况，掣肘了加工效率和加工质量的提高[2]。

正交车铣通过铣刀高速旋转、工件低速旋转和铣刀沿工件轴向运动三种运动过程的联动，实现材料的高效精密加工[3]。正交车铣是断续切削，有利于刀具冷却，可降低切削温度和提高刀具寿命。因此，研究正交车铣的切削温度，对优化难加工材料(如钛合金、镍基高温合金等)的车铣加工参数具有重要意义。

Peng F.Y.等[4]在工件表面均匀埋置数根热电偶，采用人工热电偶法测量车铣温度，但该测温装置加工复杂且不能做整周旋转。Karaguzel U.等[5]基于切削力和切削速度建立了正交车铣切削温度数学模型，预测了切削温度，但未经过试验验证。正交车铣加工时工件和刀具同时旋转，所以常用于车削和铣削的测温方法(如自然热电偶法[6]及夹丝热电偶法[7])都无法适用于车铣加工。由于缺少合理有效的试验手段，造成目前关于正交车铣切削温度的研究较少。

鉴于此，本文设计了一种新的正交车铣测温方法，基于该方法对比损伤容限型TC21钛合金车削和正交车铣的切削温度，分析车铣切削参数对TC21切削温度的影响规律，并采用扫描电镜(SEM)验证车铣刀具损伤的原因，以期为难加工材料正交车铣切削参数优化提供理论和试验依据。

2 试验条件

2.1 试验材料、刀具和机床

试验材料是直径为80mm的损伤容限型TC21钛合金(α+β型钛合金)棒料，其主要性能如下：强度极限σb=1174MPa，断面收缩率ψ=11.3%，冲击韧性αKU=51.5J/cm2，400℃时的导热率θ=9.3W/(m·℃)，金相为网篮组织(见图1)。

图1 TC21钛合金材料的金相组织

采用SANDVIK刀具，包括R390-020A22-11M刀柄和R390-11T308E-PLW1130刀片(见图2)，其中，刀具直径为20 mm，刀片基体为硬质合金，涂层为TiAlN。在MAZAK INTEGREX 200-IVST车铣复合加工中心上完成试验。

(a)刀片

2.2 试验参数

正交车铣加工涉及的切削参数见图3，包括铣刀转速nt、工件转速nw、铣刀沿工件的轴向进给量fa、切削深度ap和偏心距e。其中，偏心距e根据铣刀中心面和工件中心面在yw轴上的距离分为正偏心、无偏心和负偏心。正交车铣的切削参数数值见表1。

图3 正交车铣的切削参数

表1 试验切削参数数值

2.3 正交车铣测温方案的设计

目前，切削加工较为准确的测温方法为热电偶法，车削加工常采用自然热电偶法，铣削加工常采用夹丝热电偶法。而正交车铣加工时，由于工件和铣刀同时旋转，故上述两种方法都不适用。为解决此问题，提出了一种新的测温方案(见图4)。

(a)正交车铣测温总方案

图中，试验工件由左侧和右侧两部分组成。需磨削工件左侧部分的右端面并加工螺纹孔；工件右侧部分加工成阶梯轴，需磨削其左端面并加工均匀分布的沟槽和螺纹孔，中间为阶梯孔。

在工件左侧右端面和右侧左端面中间放置两张绝缘膜，在每个沟槽中放入热电偶丝，将每个热电偶丝汇集在工件圆心处并缠绕成一根，从筒状绝缘体孔中穿过并和数据采集系统相连，然后通过螺纹联接保证工件左侧和右侧部分的紧密固定。

导电滑环中间的转子和工件右侧的细轴被固定并随工件同步旋转。导电滑环外圈是定子，上面有螺纹联接的固定板，固定轴通过外部装置保持固定不动，固定轴插入到固定板上的圆槽中即可保证导电滑环定子不动。导电滑环转子的导线焊接固定在工件远离切削的区域，切削时采集的信号通过导电滑环定子的导线输出并和数据采集系统相连。

正交车铣加工中，采用高速旋转的铣刀切削加工低速旋转的工件，当铣刀切削到热电偶丝一端时(工件直径最大处)，热电偶丝和绝缘膜被破坏，形成瞬时热接点(即构成热电偶的热端)，焊接点处远离切削区域(即构成冷端)，这样工件和热电偶丝构成了一个热电偶，对其标定后通过冷端和热端之间的热电势即可测得切削温度。该设计方案适用于单涂层、多涂层或非涂层等各种刀具，测得温度为切削区域的瞬时温度。其原理和夹丝热电偶法一致。

对TC21和康铜构成的热电偶采用快速热电偶标定装置进行标定[8]，所得标定曲线如图5所示。然后通过上述测温方案得到热电势，根据图5即可得到相应的车铣温度。

图5 TC21-康铜热电偶的标定曲线

3 切削参数对切削温度的影响

正交车铣属于断续加工，为刀具提供了较长的冷却时间，有利于降低切削温度和提高刀具寿命。研究切削参数对切削温度的影响，对优化正交车铣切削参数具有重要意义。基于上述正交车铣测温方案，采用单因素试验法及干式切削，研究正交车铣切削参数对切削温度的影响。

当nt=2000r/min，nw=5r/min，ap=1mm，fa=4mm/r，e=-8mm时，正交车铣顺铣和逆铣的切削温度如图6a所示。铣刀切入切出工件过程中，逆铣时切削厚度由薄变厚，刀刃在切入工件处容易发生摩擦和挤压；顺铣时，铣刀切削厚度由厚变薄，刀刃在切入工件处的摩擦和挤压小于逆铣，所以其切削温度低于逆铣。鉴于此，后续试验均采用顺铣。

车削时对应的材料去除率为4.8cm3/min，切削参数为切削速度80m/min、切削深度0.6mm和每转进给量0.1mm/r，而正交车铣顺铣和逆铣在材料去除率为5cm3/min时，切削温度均小于车削。结果表明，正交车铣断续切削有利于刀具冷却，在材料去除率大于车削的情况下仍可获得低于车削的切削温度。

当nt=2000r/min，nw=5r/min，ap=0.5mm，fa=4mm/r时，正交车铣在不同偏心量下的切削温度如图6b所示。由文献[8]可知，偏心量e=-8mm时，铣刀只有侧刃参与切削；e=0mm时，铣刀侧刃和底刃都参与切削；e=8mm时，铣刀底刃参与切削的程度较大，侧刃参与切削的程度较小。当正交车铣底刃参与切削时，越靠近铣刀中心，底刃刀刃点的线速度越低，刃口摩擦作用越强，切削温度越高。因此，偏心量e=8mm时的切削温度最高，e=-8mm时的切削温度较低，后续试验均采用e=-8mm。

图6 正交车铣切削参数对切削温度的影响

当nw=5r/min，ap=0.5mm，fa=4mm/r，e=-8mm时，正交车铣在不同铣刀转速下的切削温度如图6c所示。铣刀转速增加，一方面会提高切削速度，导致摩擦效应增强，造成切削热上升；另一方面会增大转速比(λ=nt/nw)，从而减小切屑体积导致切削热下降[9]。二者综合作用导致切削温度上升趋势较缓。

当nt=2000r/min，ap=0.5mm，fa=4mm/r，e=-8mm时，正交车铣在不同工件转速下的切削温度如图6d所示。工件转速增加，一方面会使切削速度提高，导致摩擦效应增强，造成切削热上升；另一方面会使转速比减小，从而增大切屑体积，导致切削热上升，二者综合作用导致切削温度急剧上升。

当nt=2000r/min，nw=5r/min，fa=4mm/r，e=-8mm时，正交车铣在不同切削深度下的切削温度如图6e所示。切削深度增大，切屑体积随之增大，造成切削热急剧上升。

当nt=2000r/min，nw=5r/min，ap=0.5mm，e=-8mm时，轴向进给量对切削温度的影响和切削深度类似(见图6f)。

4 刀具破损分析

由于正交车铣为断续切削，加工钛合金材料时容易产生脆性破损。为判断高切削热是否是造成刀具破损的主因，采用扫描电子显微镜(SEM)对正交车铣破损失效刀具的后刀面进行拍照(见图7)。

图7 正交车铣破损失效刀具后刀面形貌

刀具破损失效后，其基体材料硬质合金裸露出来。由文献[9]可知，过高的切削热带来的热冲击使硬质合金刀具产生垂直或倾斜于切削刃的热裂纹，而机械冲击会使刀具产生平行于切削刃的机械疲劳裂纹。由图7可见，破损刀具后刀面存在平行于切削刃的裂纹，即正交车铣刀具破损主因是机械冲击。上述结果再次表明，正交车铣可有效降低切削热和切削温度，热冲击导致的热裂纹不是刀具破损的主因。