硬质合金刀具铣削参数对激光熔覆TC4 合金切削力的影响研究

陈 莉，张美娟

（1.新乡职业技术学院现代设计与工程学院，河南 新乡 453000；2.新乡市职业教育中心技能办，河南 新乡 453000）

0 引言

Ti-6Al-4V 钛合金即TC4，是一种具备高比强度、韧性好、耐高温氧化的合金材料，目前已在多个重要工业领域得到了广泛使用，在高性能航空器材、生物医学器械、交通设施、精密检测仪器等设备设施的研发中发挥了关键的技术支撑作用[1]。钛合金已在航空工业领域作为一种重要战略材料，可将其用于制备航空发动机叶片等，对航空技术的应用发挥了巨大促进作用[2-3]。根据不同的成型工艺，可以将钛合金分成锻造、铸造、增材加工等多种类型，而铸造钛合金则是现阶段应用最广泛的一类合金材料。同时考虑到激光增材方法加工钛合金TC4 时具备工艺灵活、可靠性良好的优势，可以实现航空部件缺陷修复以及制备出优异耐高温性能的防护涂层。

也正是由于钛合金自身具备优异力学特性而对加工过程带来了较大困难。进行钛合金加工时需要施加很大的切削力，并且会产生很高的切削温度，导致刀具出现明显颤振以及表面磨损的问题，属于一类加工难度很大的合金[4]。到目前为止，已有许多学者对钛合金加工开展了深入研究，分别从材料加工特性、工艺调整与切屑影响层面进行了深入探讨。Hojati[5]分别对增材制造与铸造工艺制备的钛合金微铣削特性进行了研究，结果显示电子束熔覆处理的钛合金微铣削表面相对常规钛合金表面质量更优，而两者切削力基本一致。Huang[6]对比了不同冷却条件引起的钛合金切削特性差异性。Singh[7]主要测试了不同刀具涂层下的铸造钛合金加工特性变化情况。王情情[8]则通过实验分析了TC4 切削时的显微组织结构变化特征。

目前关于激光增材TC4 合金的高速切削方面的文献报道还很少。本文通过设计高速铣削测试方案，比较了TC4 合金在铸造与激光熔覆条件下的切削性能差异。

1 实验原理及方案

1.1 实验材料与试样制备

选择钛合金基板作为实验材料，通过Lasertel 激光器施加能量，控制功率为3 250 W，利用R-2000iB六轴机器人设置熔覆轨迹，控制扫描速率5 mm/s，光斑大小12 mm×3 mm。铺设3 mm 厚的金属粉，保持熔覆层的间距为0.6 mm。进行熔覆处理时，保持激光头与熔覆层的表层间距为285 mm。同时在熔覆阶段一直通入氩气提供保护氛围，避免表面区域发生氧化。按照上述处理进行激光熔覆制得TC4 试样。

对激光熔覆TC4 试样实施高速切削。以线切割方式将钛合金板加工成50 mm×40 mm×40 mm 的试样。通过专用夹具对试样进行固定，再对夹具位置进行调节，使其达到与坐标轴平行的状态，从而确保铣削时可实现切削力的精确控制。

动态切削力测试平台如图1 所示，从图1 中可以看到，进行高速铣削时，在测力仪中设置了Kistler9265B 压电检测器。主切削力（Ft）是沿铣刀圆周切线的作用力，该方向上消耗功率最大，对切削过程存在显著影响，本文针对影响主切削力的各项因素展开深入分析。

图1 动态切削力测试平台

1.2 实验方案

表1 为铣削测试的具体参数，设计单因素影响方案，对比了不同切削速率、切削深度、单齿进给量引起的切削力差异性，采用逆铣方式进行实验测试。

表1 铣削实验参数表

2 实验结果分析

2.1 铣削方向对主切削力的影响

图2 是对激光熔覆工艺与铸造工艺制备的钛合金TC4 进行铣削时设置不同铣削方向时引起的主切削力变化结果。通过实验测试发现，铣削加工激光熔覆钛合金时存在各向异性，与熔覆轨迹保持相同方向铣削，形成了比90°方向更高的主切削力。这是因为在钛合金的增材加工期间，热量主要通过激光产生。受到激光的能量作用后，逐渐形成相互叠加的熔覆层。随着光斑不断往前移动时，材料在结晶阶段发生了大幅的温度波动。而材料处于不同温度梯度下时，则会使材料金相结构出现较大差异，最终导致材料微观力学特性发生明显改变，表现出不同的宏观切削力。

图2 铣削方向与工艺对主切削力的影响

2.2 每齿进给量对主切削力的影响

图3 给出了不同单齿进给量引起的钛合金主削力变化情况，设定铣削速度v 为400 mm/min，de为0.8 mm。对钛合金TC4 进行铣削处理时，逐渐增大单齿进给量时，主切削力呈现持续上升趋势。这是由于增大单齿进给量后，单个切削刃形成了更大的最高切削厚度，并且形成了更大体积的未切削层，导致切削抗力的显著升高。同时需注意，因铣刀表面呈螺旋角结构，进行铣削处理时共同受到硬质合金铣刀表面多个切削刃的切入-切出影响。增大切削刃数后，将会引起铣削阶段形成更大主切削力。同时在铣削测试过程中，对两种钛合金进行测试时均发现主切削力满足90°方向铣削力最小的特点。

图3 每齿进给量对主切削力的影响

2.3 铣削深度对主切削力的影响

图4 为不同铣削深度下的主切削力变化结果，此时v 为200 mm/min，fz为0.06 mm。结果发现，增大铣削深度后，主切削力线性升高。这是由于增大铣削深度后，导致材料去除时需克服更大能量，切削刃受到了更大切削抗力。

图4 铣削深度对主切削力的影响

2.4 铣削速度对主切削力的影响

图5 是在不同铣削速度下对TC4 铣削时主切削力变化情况，此时fz为0.04 mm，de为0.4 mm。结果表明，当铣削速度介于100～400 mm/min 时，提高铣削速度后，形成了更大的铣削主切削力。而当铣削速度进一步增大时，主切削力则进入相对稳定的状态。从测试结果分析可知，以更快速率进行切削有助于改善钛合金加工性能。

图5 铣削速度对主切削力的影响

3 结论

1）铣削加工激光熔覆钛合金时存在各向异性，与熔覆轨迹保持相同方向铣削，形成了比90°方向更高的主切削力。

2）逐渐增大单齿进给量时，主切削力持续上升，在铣削阶段形成更大主切削力。

3）增大铣削深度后，致使材料去除需克服更大能量，增大铣削深度后，主切削力线性升高。

4）提高铣削速度后，形成了更大的铣削主切削力，随之进入相对稳定的状态。