1、引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕性等優(yōu)良特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、汽車工業(yè)等領(lǐng)域[1，2]。由于鈦合金的熱導(dǎo)率低、彈性模量小和化學(xué)活性高，導(dǎo)致切削時(shí)溫度高、切削力大和刀具磨損嚴(yán)重[3]。TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)是近β型鈦合金，具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的熱處理性能[4]，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架、引擎機(jī)艙和尾翼等零件的制造[5]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)切削過(guò)程中銑刀的磨損情況進(jìn)行了研究。HartungP.D.等[6]研究了鈦合金加工過(guò)程中的刀具磨損機(jī)理，發(fā)現(xiàn)WC-Co基硬質(zhì)合金和PCD作為刀具基體材料可減小刀具磨損。SuiS.C.等[7]在銑削鈦合金TC4的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)銑刀磨損速率會(huì)導(dǎo)致燒傷缺陷的產(chǎn)生，磨損速率主要受切削參數(shù)的影響，其中影響最大的是切削速度。趙勛等[8]使用鈦合金銑刀高速銑削TC4鈦合金，分析了刀具磨損機(jī)理和刀具耐用度，發(fā)現(xiàn)刀具磨損主要包括磨料磨損、粘接磨損和擴(kuò)散磨損三種類型，切削速度對(duì)刀具耐用度具有重要影響。金成哲等[9]采用正交車銑58Simn高強(qiáng)度鋼的刀具磨損試驗(yàn)來(lái)分析切削用量對(duì)刀具耐用度的影響，通過(guò)觀察刀具磨損形貌發(fā)現(xiàn)切削刃出現(xiàn)微崩現(xiàn)象。余宗寧等[10]進(jìn)行了金剛石涂層銑刀銑削CE11高硅鋁合金的磨損試驗(yàn)，并結(jié)合仿真分析了切削用量對(duì)銑刀磨損的影響，發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑刀磨損的影響最大。

減振銑刀(變螺旋角銑刀、變齒距銑刀)通過(guò)改變銑刀的螺旋角和齒距來(lái)影響銑削過(guò)程中切削力的周期性變化，從而抑制顫振。在螺旋角和齒距改變的同時(shí)，刀齒與工件接觸的面積也會(huì)發(fā)生變化，對(duì)銑刀的磨損產(chǎn)生影響。

目前有關(guān)減振銑刀磨損的研究較少，本文采用變螺旋角銑刀、變齒距銑刀和標(biāo)準(zhǔn)銑刀切削TB6鈦合金，從刀具耐用度、磨損速率和磨損形貌三個(gè)方面研究刀具幾何結(jié)構(gòu)對(duì)銑刀磨損的影響。

2、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

磨損試驗(yàn)中所用刀具為變螺旋角銑刀、變齒距銑刀和標(biāo)準(zhǔn)銑刀，其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

在干銑條件下進(jìn)行側(cè)銑工件試驗(yàn)，銑削方式為逆銑。工件尺寸70mm×57.5mm×35mm，工件材料均為經(jīng)過(guò)鍛造處理的TB6鈦合金。TB6鈦合金的化學(xué)成分和室溫機(jī)械性能分別見(jiàn)表2和表3[11]。采用型號(hào)為BV75的數(shù)控機(jī)床銑削尺寸為70mm×35mm的工件側(cè)面，磨損試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。采用型號(hào)為Dino-LiteAM7013MZT顯微鏡觀察銑刀磨損情況，用銑刀后刀面的磨損帶寬度表示磨損量。對(duì)每個(gè)銑刀切削刃后刀面磨損帶寬度測(cè)量5次，再對(duì)測(cè)量的4個(gè)切削刃后刀面磨損帶寬度進(jìn)行均值處理，以求解銑刀的磨損量。在切削試驗(yàn)過(guò)程中，切削深度和切削寬度均保持恒定，三種銑刀的懸伸量均為40mm。切削參數(shù)選擇見(jiàn)表4。

3、試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1銑刀耐用度分析

標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的磨鈍標(biāo)準(zhǔn)相同，均為0.1mm，0.2mm和0.3mm。對(duì)接近磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的磨損量進(jìn)行測(cè)量，三種銑刀磨損量隨切削時(shí)間的變化見(jiàn)圖3。

由圖3可知，標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀均在正常磨損階段。根據(jù)圖3可求解三種銑刀在切削速度為25m/min，30m/min和35m/min以及磨鈍標(biāo)準(zhǔn)為0.1mm，0.2mm和0.3mm的刀具耐用度。達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)0.3mm時(shí)，三種銑刀的耐用度隨切削速度的變化見(jiàn)圖4。

由圖4可知，磨損量為0.3mm時(shí)，三種銑刀的耐用度均隨切削速度的提高而減小，說(shuō)明三種銑刀的磨損都隨著切削速度的增大而加快。

切削速度分別為V=25m/min，V=30m/min和V=35m/min時(shí)，三種銑刀的耐用度隨磨損量的變化見(jiàn)圖5。

由圖5可知，切削速度為25m/min，30m/min和35m/min以及磨損量為0.1mm，0.2mm和0.3mm時(shí)，三種銑刀的刀具耐用度大小順序均為:標(biāo)準(zhǔn)銑刀的刀具耐用度最大，變螺旋角銑刀次之，變齒距銑刀最小。

3.2銑刀磨損速率分析

銑刀耐用度表示達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)0.1mm，0.2mm和0.3mm的銑刀磨損時(shí)間，但不能反映銑刀在正常磨損階段(磨損量為0.1～0.2mm和0.2～0.3mm)的磨損情況，因此考慮建立一種表示時(shí)間和磨損量關(guān)系的模型，以反映銑刀在整個(gè)正常磨損階段的磨損情況。根據(jù)測(cè)量的磨損數(shù)據(jù)建立磨損時(shí)間和磨損量的線性回歸模型，該回歸模型不僅可反映銑刀在整個(gè)正常磨損階段的耐磨程度，還可表示任意時(shí)刻的磨損量。銑刀磨損速率為線性回歸模型中的斜率，表示銑刀磨損速度的快慢。

在切削速度為25m/min，30m/min和35m/min時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的切削時(shí)間和磨損量的線性回歸模型見(jiàn)表5。

由圖6可知，隨切削速度的提高，標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的磨損速率隨之增大，說(shuō)明三種銑刀的磨損在整個(gè)正常磨損階段內(nèi)都隨著切削速度的提高而加快。在切削速度為25m/min，30m/min和35m/min時(shí)，三種銑刀的磨損速率大小順序?yàn)?變齒距銑刀的磨損速率最大，變螺旋角銑刀次之，標(biāo)準(zhǔn)銑刀最小。由此可知，在整個(gè)正常磨損階段，標(biāo)準(zhǔn)銑刀的耐磨性最好，變齒距銑刀的耐磨性最差。

根據(jù)表5繪制三種銑刀磨損速率隨切削速度的變化曲線(見(jiàn)圖6)。

3.3銑刀磨損形貌分析

由于標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀在不同切削速度下達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的磨損情況類似，因此僅對(duì)切削速度為25m/min的銑刀磨損形貌進(jìn)行分析。

(1)標(biāo)準(zhǔn)銑刀磨損形貌

由圖7a－圖7l可知，標(biāo)準(zhǔn)銑刀隨著磨損量由0.1mm增加到0.3mm，切削刃的磨損帶寬度不斷增大，且切削刃的后刀面磨損均勻。觀察圖7i－圖7l，在磨損量為0.3mm時(shí)，切削刃出現(xiàn)明顯破損，且第2切削刃的破損較為嚴(yán)重。

(2)變螺旋角銑刀磨損形貌分析

由圖8a－圖8l可知，變螺旋角銑刀隨著磨損量由0.1mm增加到0.3mm，切削刃的磨損帶寬度不斷增大，并且切削刃后刀面的磨損不均勻。觀察圖8i－圖8l，在磨損量為0.3mm時(shí)，切削刃出現(xiàn)明顯破損，且第2切削刃的破損較為嚴(yán)重。

(3)變齒距銑刀磨損形貌

由圖9a－圖9l可知，變齒距銑刀隨著磨損量由0.1mm增加到0.3mm，切削刃的磨損帶寬度不斷增大，且切削刃后刀面的磨損不均勻。觀察圖9i－圖9l，在磨損量為0.3mm時(shí)，切削刃出現(xiàn)明顯破損，且第2、4切削刃的破損較為嚴(yán)重。

(4)刀具幾何結(jié)構(gòu)對(duì)磨損形貌的影響

比較圖7、圖8和圖9發(fā)現(xiàn)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的磨損量達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)0.1mm、0.2mm和0.3mm時(shí)，三種銑刀后刀面的磨損情況不同:標(biāo)準(zhǔn)銑刀的后刀面磨損均勻，而變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的后刀面磨損不均勻。磨損量達(dá)到0.3mm時(shí)，三種銑刀的后刀面均出現(xiàn)了破損。

4、結(jié)語(yǔ)

采用標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀切削TB6鈦合金，研究刀具幾何結(jié)構(gòu)對(duì)銑刀磨損的影響。對(duì)三種銑刀的后刀面磨損情況進(jìn)行分析，得出如下主要結(jié)論:

(1)刀具耐用度。三種銑刀達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)0.3mm的刀具耐用度均隨著切削速度的增加而減小。在切削速度為25m/min，30m/min和35m/min時(shí)，達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)0.1mm，0.2mm和0.3mm的銑刀耐用度大小順序?yàn)?標(biāo)準(zhǔn)銑刀的刀具耐用度最大，變螺旋角銑刀次之，變齒距銑刀最小;

(2)銑刀磨損速率。三種銑刀的磨損速率均隨著切削速度的提高而增大。在整個(gè)正常磨損階段，切削速度為25m/min，30m/min和35m/min的銑刀磨損速率大小順序?yàn)?變齒距銑刀的磨損速率最大，變螺旋角銑刀次之，標(biāo)準(zhǔn)銑刀最小;

(3)銑刀磨損形態(tài)。三種銑刀在切削速度為25m/min、30m/min和35m/min和磨損量為0.3mm時(shí)均出現(xiàn)破損。標(biāo)準(zhǔn)銑刀后刀面磨損較為均勻，而變螺旋銑刀和變齒距銑刀后刀面磨損不均勻。

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第一作者:劉建永，博士研究生，北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，100191 北京市

First Author:Liu Jianyong，Doctoral Graduate，School of Me-chanical Engineering and Automation，Beijing 100191，China

通信作者:喬立紅，博士，教授，北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，100191 北京市

Corresponding Author:Qiao Lihong，Doctor，Professor，School of Mechanical Engineering and Automation，Beijing 100191，China