發(fā)布日期：2016-11-16 10:57:26
在航空航天業(yè)中，許多鈦合金零件具有開口槽結(jié)構(gòu)，由整體毛坯切削去除較多余量而成，因比強(qiáng)度較高，這類零件在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)開槽一般采用層銑加工方法，當(dāng)加工較深的槽腔時(shí)，需要較長(zhǎng)的銑刀懸伸。由于層銑加工時(shí)徑向切削力較大，長(zhǎng)懸伸銑刀切削極易產(chǎn)生振動(dòng)，加劇刀具磨損，降低加工質(zhì)量。因此，為降低切削振動(dòng)，不得不大幅減小銑削深度和進(jìn)給速度，導(dǎo)致加工效率很低。
插銑通過(guò)銑刀的軸向進(jìn)給進(jìn)行大切除量加工，可以快速去除切削余量。田靜云等通過(guò)對(duì)插銑的實(shí)驗(yàn)研究建立了插銑切削的力學(xué)模型；李湉等通過(guò)對(duì)整體葉輪粗加工的研究表明，與傳統(tǒng)層銑相比，插銑過(guò)程中的徑向銑削力減小50％以上，加工效率增加近一倍。
圖1 插銑示意圖
本文通過(guò)試驗(yàn)研究了插銑加工鈦合金深槽的表面形貌、切屑形態(tài)、刀具磨損及加工效率等，為插銑工藝在深槽加工中的應(yīng)用提供參考。
1 插銑開槽工藝及刀具
如圖1所示，插銑加工時(shí)，銑刀沿軸向從工件上表面向下進(jìn)給切削，到達(dá)底部后完成切削，向上抬起退刀至工件上表面的初始進(jìn)刀位置，完成一次插銑加工過(guò)程。然后，銑刀沿槽腔縱向移動(dòng)到下一位置，再重復(fù)前述的插銑加工過(guò)程，完成下一次插銑加工，此時(shí)的縱向移動(dòng)距離為插銑的銑削寬度ae。依此方法，銑刀沿槽腔縱向從頭至尾完成插銑加工后，再沿槽腔橫向移動(dòng)一個(gè)步距S，重復(fù)沿槽腔縱向的插銑加工。反復(fù)進(jìn)行上述加工過(guò)程，直至完成整個(gè)槽腔的插銑加工。
插銑加工需選用小主偏角銑刀，與普通層銑刀具相比，這種刀具在插銑加工時(shí)可把大部分切削力引向銑刀軸向，產(chǎn)生的徑向力較小(見圖2)。即使選用較大懸伸銑刀進(jìn)行加工，仍可保持切削過(guò)程的穩(wěn)定，為深槽的高效加工提供了可能。
圖2 插銑刀與層銑刀產(chǎn)生的切削力
2 試驗(yàn)條件
工件材料：TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金屬于α+β鈦合金，力學(xué)性能見表1。如圖3所示，開口槽尺寸49mm×190mm×95mm，是窄而深的槽腔。
圖3 加工零件主要尺寸
圖4 CoroMill 210銑刀刀體(上)、刀片及接桿(下)
插銑刀具選用山特維克可樂(lè)滿CoroMill 210銑刀，刀體型號(hào)R210-042C4-09H，直徑42mm。由于槽腔較深，在開槽切削時(shí)需配裝加長(zhǎng)接桿，接桿型號(hào)C5-391.02-40 065A。刀片型號(hào)R210-09 04 14E-PM，牌號(hào)S30T，刀片端刃長(zhǎng)9.5mm。銑刀刀體及接桿實(shí)物如圖4所示。CoroMill 210銑刀工作時(shí)主偏角κr=10°，切削力主要被引向軸向，徑向力較小，可大幅減小長(zhǎng)懸伸銑刀的切削振動(dòng)。
加工設(shè)備：南通機(jī)床廠生產(chǎn)的3180龍門銑床。
測(cè)量裝置：選用VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)觀測(cè)刀具前刀面和后刀面的磨損形貌。
3 試驗(yàn)方案
試驗(yàn)采用往復(fù)走刀路線，開槽起步沿著槽縱向走刀，回程再切削槽寬方向上的余量。起步第一列開槽寬度為滿切寬(即銑刀直徑)42mm，由槽寬49mm可知，回程切寬為余量7mm。由圖1可知，試驗(yàn)中銑刀沿槽腔縱向往返移動(dòng)各一次，且往返兩列走刀路線之間的距離(即步距S)為完成第一列插銑開槽后槽腔側(cè)壁的余量厚度7mm。由于刀具中心無(wú)切削刃，為避免撞刀，插銑時(shí)銑削寬度不能超過(guò)刀片的端刃長(zhǎng)度，試驗(yàn)中銑削寬度選為6mm。綜合考慮機(jī)床的功率和鈦合金的切削性能，選擇切削速度為40m/min，每齒進(jìn)給量為0.15mm/min。切削參數(shù)如表2所示。
加工編程時(shí)需要注意，每次插銑結(jié)束時(shí)，在抬刀前應(yīng)使刀具離開側(cè)壁約1mm距離，防止退刀時(shí)的二次切削，加劇刀具磨損。插銑TC4深槽試驗(yàn)中，采用壓力較高的大流量冷卻液對(duì)切削區(qū)冷卻，可使切削過(guò)程中產(chǎn)生的大量切屑順利排出。
4 試驗(yàn)結(jié)果與分析
插銑切削過(guò)程中產(chǎn)生少量由切削液汽化形成的煙霧(見圖5)，表明切削區(qū)溫度較高。切削區(qū)在大流量切削液沖刷下排屑順暢，整個(gè)過(guò)程平穩(wěn)。
(1)已加工表面形貌
插銑加工后TC4鈦合金槽腔如圖6所示。槽腔表面粗糙，側(cè)壁刀痕明顯，每隔6mm形成一個(gè)殘留棱，棱高最大值為0.5mm。槽腔底部表面也有明顯的刀痕。與層銑相比，插銑已加工表面粗糙，需進(jìn)行后續(xù)精加工。
圖5 插銑加工TC4深槽
圖6 插銑加工零件表面形貌
(2)切屑形態(tài)
插銑加工中銑刀的端面刃為主切削刃，切削過(guò)程中銑刀沿其軸向的進(jìn)給速度vf決定插銑加工的每齒進(jìn)給量。與普通層銑類似，插銑切屑的大小由銑削寬度、每齒進(jìn)給量等切削參數(shù)及銑刀直徑、主偏角等銑刀幾何參數(shù)共同決定（見圖7a）。切屑寬度由銑削寬度和銑刀主偏角決定，切屑厚度由每齒進(jìn)給量決定，切屑長(zhǎng)度由銑削寬度和銑刀直徑?jīng)Q定。插銑的切屑向外螺旋卷曲，切屑頭部較窄，中部變寬，切屑尾部又逐漸變得很窄，單個(gè)切屑一般可形成兩個(gè)螺旋（見圖7b）。切屑尾部由寬逐漸變窄，表明銑刀在切出過(guò)程中承受載荷逐漸降低，刀片切出工件瞬間承受的拉應(yīng)力也大幅降低。根據(jù)切屑形態(tài)可知，此時(shí)插銑切削狀態(tài)有利于降低刀具的磨損，提高刀具使用壽命。
圖7 切屑形成機(jī)理及切屑
(3)刀具磨損情況
圖8為插銑加工后銑刀的磨損形貌。插銑加工中銑刀的主切削刃為端面刃，因此刀具磨損主要集中在銑刀的端面刃附近。圖8a顯示，磨損刀具的前刀面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的月牙洼形態(tài)，前刀面的磨損區(qū)域非�？拷髑邢魅�，且微崩刃、溝槽磨損為其主要磨損形態(tài)；圖8b顯示，后刀面磨損帶沿主切削刃分布，范圍較大，但寬度較窄，后刀面磨損寬度VB約為0.145mm。磨損形式以微崩刃磨損為主。圖8中顯示刃口多處出現(xiàn)微崩刃，這是由于插銑過(guò)程中需要多次的進(jìn)刀和退刀，進(jìn)刀過(guò)程中會(huì)有較大的沖擊力，加劇了刃口微崩刃的發(fā)生。
(a)前刀面磨損形貌;(b)后刀面磨損形貌
圖8 刀具磨損形貌100×(v=40m/min、ae=6mm、fz=0.15mm/z、s=7mm、L=6.46m；
(4)切削時(shí)間對(duì)比
試驗(yàn)測(cè)得插銑一次完整的進(jìn)刀需用時(shí)35s，整個(gè)開槽過(guò)程需68次進(jìn)刀，用時(shí)合計(jì)39.7min。
傳統(tǒng)層銑選用可樂(lè)滿CoroMill390(刀具直徑42mm，主偏角90°)銑刀，切削速度50m/min，每齒進(jìn)給量0.15mm/z。為避免刀具受徑向力過(guò)大產(chǎn)生切削振動(dòng)，切削深度不宜過(guò)大，推薦值為2mm；槽寬為49mm，顯然層銑加工開槽首刀為滿切寬銑削，即42mm；第2刀銑削寬度為剩余的7mm。層銑開槽的切削參數(shù)如表3所示。
圖9 插銑與層銑切削時(shí)間對(duì)比
在此參數(shù)下層銑，共需切削48層，包括刀具空行程時(shí)間共為 82.5min。 如圖9所示，插銑比層銑時(shí)間減少了約42.8min，切削效率提高了51.9%。在鈦合金深槽的開槽加工中插銑的切削效率更高。
小結(jié)
通過(guò)試驗(yàn)對(duì)TC4鈦合金深槽的插銑開槽進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：
插銑加工表面粗糙度較大，一般需要進(jìn)行后續(xù)精加工；
插銑刀具磨損主要發(fā)生在刀片的端面刃，磨損形態(tài)以微崩刃、溝槽磨損為主；
插銑在進(jìn)行深槽開槽粗加工時(shí)切削效率明顯高于普通層銑。
綜上所述，插銑加工槽腔表面粗糙，一般還需進(jìn)行二次精加工。在淺槽加工時(shí)，效率與傳統(tǒng)層銑相比沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，因此插銑不是淺槽的首選開槽方法；當(dāng)層銑加工深槽極易引發(fā)切削振動(dòng)，導(dǎo)致刀具壽命、銑削效率和加工質(zhì)量大幅降低時(shí)，可采用插銑取代傳統(tǒng)層銑，大幅提高切削效率。