不同切削介質下鈦合金高速銑削時銑削力的研究

1 引言目前，綠色切削主要是指干式切削和準干式切削。干式切削的應用范圍目前還比較有限，而完全濕加工又有諸多不足。若將兩者的優點相互結合，既可滿足加工要求，又可將干式切削的費用降低至最低，并可取得與完全干式加工相同的效果。將這種介于濕式切削與干式切削之間的加工技術稱為準干式切削(Near Dry Machining-NDM)加...

圖1 立銑刀結構圖和銑削示意圖

2 試驗方案

刀具選用Walter硬質合金鑲齒立銑刀，牌號為ZDGT150416R-K85 WMG40，未涂層，直徑25mm，刀尖圓角半徑r=1.6mm，兩齒，見圖1。分別在干銑削、空氣油霧和氮氣油霧介質下開展高速銑削鐵合金TC4的單因數銑削力試驗研究。

3試驗結果分析

徑向切深ae變化對枕削力的影響

軸向切深ap變化對銑削力的影響

每齒進給fz變化對銑削力的影響

銑削速度vc變化時銑削力的影響

試驗參數：vc=190m/min,ap=5mm,fz=0.1mm/z，分別測量ae=0.5,1,2,3,4,5mm時的銑削力，試驗結果見圖2。

(a)x方向最大銑削分力

(b)y方向最大銑削分力

(c)z方向最大銑削分力

(d)最大銑削合力

圖2 不同介質下銑削力隨ae變化的曲線

從圖2中可以看出：三種介質下的Fxmax,Fymax,Fzmax，和Fmax都隨久增大而增大，其增大趨勢基本呈線性關系，原因是隨著徑向切深的增大，刀具和工件間的銑削包角增大，使刀具的銑削面積增大，從而刀具和工件間的摩擦力增大，所以導致Fymax：增大；試驗中采用的是刀片銑削，刀具的螺旋角為0°,因此隨著徑向切深ae的增大，x向和z向的最大的銑削力變化并不是很明顯，這和理論上的分析是相符合的。對曲線分別進行線性和指數擬合，其相關系數R2都在0.91以上。 圖2(a)表明三種銑削介質下的Fxmax隨ae增加的趨勢基本相同，但幅度都不太明顯，干銑削的Fxmax稍大于空氣油霧和氮氣油霧。從圖2(b)、(c)、(d)可以看出Fymax、Fzmax和Fmax隨ae增加的幅度較大，不同介質下的變化曲線相似；空氣油霧和氮氣油霧下的Fymax、Fzmax和Fmax都比干銑削小，其中干銑削的銑削合力比空氣油霧分別大了22.2%、15.07%、25.75%、5.98%、8.3%和5.45%，比氮氣油霧大18.3%、16.6%、27.5%、15.96%、8.38%和7.92%。另外，空氣油霧和氮氣油霧下的銑削力大致相同。

試驗參數：vc=190m/min,ae=1mm，fz=0.1mm/z，分別測量ap=1,2,3,4,5mm時的銑削力，試驗結果見圖3。

(a)x方向最大銑削分力

(b)y方向最大銑削分力

(c)z方向最大銑削分力

(d)最大銑削合力

圖3 不同介質下銑削力隨ap變化的曲線

從圖3可以看出：三種介質下的Fxmax，Fymax，Fzmax，和Fmax都隨ap增大而增大，其增大趨勢基本相同。對曲線分別進行線性和指數擬合，發現其指數擬合的相關系數較高( R2≥0.93)。干銑削時銑削分力和合力均大于空氣油霧和氮氣油霧，結果與前節相似。 當ap大于5mm時銑削力增大加劇，可能是因為ap增大后，銑削力隨之增大，銑削過程中刀具系統剛性降低，銑刀容易產生振動造成的。

試驗參數：vc=190m/min，ae=1mm，ap=5mm，分別測量fz=0.5,0.1,0.15,02,0.25mm/z時的銑削力，試驗結果見圖4。

(a)x方向最大銑削分力

(b)y方向最大銑削分力

(c)z方向最大銑削分力

(d)最大銑削合力

圖4 不同介質下銑削力隨fz變化的曲線

從圖4中可以看出：三種介質下的Fxmax，Fymax，Fzmax，和Fmax都隨fz增大而增大，對曲線分別進行線性和指數擬合，發現兩種擬和的相關系數R2大致相同，并且R2較高，這與低速銑削時的理論不同。在低速時，隨fz的增加，各向銑削力總體呈增大趨勢，但銑削力的增加并不隨進給量的增加成比例增加。因為進給量增大，切削厚度增大，所以切削面積增大，力會隨之增大，但切削厚度增大的同時使變形系數減少，摩擦系數也降低，所以力的增加與進給量的增大并不成比例。高速時，由于銑削區的溫度遠遠高于低速時，銑刀前刀面上的切屑和與銑刀后刀面相接觸的已加工表面塑性非常高，因此切削厚度增大使變形系數減少的程度非常低，摩擦系數也降低的很小，所以力的增加與進給量的增大基本成比例。 從圖4(d)可以看出，隨著每齒進給(fz≥0.1mm/z)增大，氮氣油霧下的銑削合力明顯低于空氣油霧。據國外的研究資料顯示，在高進給下，銑削熱增多，氮氣下刀具與切屑以及工件之間更容易產生TiN層，因為TiN具有減摩作用，所以在銑削時，由于摩擦作用所產生的銑削力會減少。

試驗參數：aae=1mm，ap=1mm，fz=0.1mm/z，分別測量vc=190，250，275和300m/min時的銑削力，試驗結果見圖5。

(a)x方向最大銑削分力

(b)y方向最大銑削分力

(c)z方向最大銑削分力

(d)最大銑削合力

圖5 不同介質下銑削力隨vc變化的曲線