鈦合金曲面開槽用球頭立銑刀幾何參數的正交優化

　　風扇輪和斜流輪是發動機的關鍵部件，其加工質量直接影響發動機的推力和效率。風扇輪和斜流輪曲面可采用三維CAD／CAM技術在多軸聯動加工中心上進行銑削加工。由于工件材料TC6鈦合金屬難加工材料，因此數控銑刀的切削性能將直接影響工件的幾何精度、表面質量和加工效率。針對鈦合金曲面數控銑削加工的特點，運用五軸數控強力磨削技術定制鈦合金曲面開槽用球頭立銑刀，并利用正交試驗法對銑刀幾何參數進行優化，可顯著提高鈦合金曲面的加工效率，降低加工成本。

一、鈦合金曲面數控銑削加工的特點

　　1．曲面數控銑削加工特點
　　數控銑削加工作為一種成形加工手段，主要有面成型和線成型兩種成型方法。面成型法以銑刀的全部側刃作為切削刃，適用于加工斜面、柱面、錐面、環面等曲面。線成型法的成型原理則是將成型面視為型線的集合，以銑刀刀刃上的某一點作為切削刃，通過加工出一條條型線來形成型面，因此適用于加工任何復雜曲面。線成型曲面加工有以下特點:
　　(1)復雜曲面的成型加工多采用球頭銑刀，有時為了增加刀具剛性，也可采用錐體球頭立銑刀；
　　(2)曲面成型加工的表面粗糙度較差；
　　(3)曲面成型加工時，由于采用多軸聯動，切削余量不均，被切削材料與刀具切削刃的接觸狀態不斷改變。

　　2．TC6鈦合金的切削特性
　　TC6(Ti-6Al-2.5Mo-2.0Cr-0.3Si-0.5Fe)含15%～20%的穩定化元素，屬耐熱鈦合金，工作溫度為350～450℃。TC6鈦合金的規定性能見表1。

表1　TC6鈦合金的規定性能

  常溫性能   高溫性能   δ_b
（MPa）   δ
（％）   ψ
（％）   α_K
（MJ^.m^-2）   溫度
（℃）   δ_b
（MPa）   δ₁₀₀
(MPa）   931   10   23   0.3   450   588   539

　　TC6鈦合金的切削加工具有以下特點：
　�。�1）切削刃負荷重　切削鈦合金時切屑變形系數�。ń咏�或小于1）,切屑與刀具前面的接觸長度短（僅為切削鋼時的1／3～1／4），雖然切削力比切削鋼時約小20%，但卻集中在切削刃附近，容易造成刀具崩刃。
　�。�2）切削溫度高　由于鈦合金導熱性很差，且切屑接觸長度短，不利于切削熱的導出，致使切削刃區溫度較高。實驗表明，切削鈦合金時的切削溫度比切削45鋼時約高一倍以上。
　�。�3）刀具磨損嚴重　切削鈦合金時刀具容易磨損，除切削溫度高這一原因外，在切削過程中鈦合金容易與空氣中的氮和氧反應形成硬脆表層，加劇刀具的磨料磨損；此外，鈦合金與刀具材料的化學親合性強，容易與刀具材料中的Ti、Co、Cr等元素粘結，加劇刀具的粘結磨損程度。
　　以上特點是造成鈦合金切削困難、刀具壽命短、切削效率低的主要原因。

二、球頭立銑刀幾何參數的正交優化

　　根據風扇輪和斜流輪工件曲面數控加工的實際要求及鈦合金銑削加工的特點，可采用五軸數控磨削中心制造鈦合金曲面開槽加工用球頭立銑刀。為獲得合理的立銑刀幾何參數組合，我們采用正交試驗法對風扇輪曲面開槽用球頭立銑刀的幾組幾何參數進行了優選，刀具幾何參數組合方案見表2。

表2　刀具幾何參數組合方案

  刀具
編號   前角γ₀
（°）   后角α₀
(°)   刃帶寬b_r1
(mm)   螺旋角β
(°)   1   8   8   0.2   36   2   8   10   0.3   38   3   8   12   0.4   40   4   10   8   0.3   40   5   10   10   0.4   36   6   10   12   0.2   38   7   12   8   0.4   38   8   12   10   0.2   40   9   12   12   0.3   36

　　試驗條件:機床主軸轉速S＝540rpm，進給速度f＝140mm／min，切削深度a_p＝4mm。
　　試驗結果判定標準:刀具在20分鐘內破損得0分；在30分鐘內后刀面磨損0.12mm以上得1分；在30分鐘內后刀面磨損0.12mm以內得2分；在30分鐘內后刀面磨損0.05mm以內得3分。
　　試驗結果及試驗結果分析分別列于表3和表4。

表3　試驗結果

  刀具編號   工件槽編號   試驗結果(后刀面磨損)   1   1^#槽，第二層   30分鐘后磨損0.15mm，33分鐘時破損   2   2^#槽，第二層   30分鐘后磨損0.05mm，33分鐘時破損   3   3^#槽，第二層   6分鐘時三個刀齒均破損   4   4^#槽，第二層   30分鐘后磨損0.1mm，32分鐘時破損   5   5^#槽，第二層   15分鐘時破損   6   6^#槽，第二層   6分鐘時刀齒破損   7   7^#槽，第二層   32分鐘后磨損0.05mm   8   8^#槽，第二層   30分鐘時破損   9   9^#槽，第二層   6分鐘時破損

表4　試驗結果分析

  刀具
編號   前角γ₀
（°）   后角α₀
（°）   刃帶寬b_r1
（mm）   螺旋角β
（°）   試驗得分   1   8   8   0.2   36   1   2   8   10   0.3   38   3   3   8   12   0.4   40   0   4   10   8   0.3   40   2   5   10   10   0.4   36   0   6   10   12   0.2   38   0   7   12   8   0.4   38   3   8   12   10   0.2   40   1   9   12   12   0.3   36   0   K1   4   6   2   1   　   K2   2   4   5   6   　   K3   4   0   3   3   　   K1/3   1.333   2   0.667   0.333   　   K2/3   0.667   1.333   1.667   2   　   K3/3   1.333   0   1   1   　

　　比較上述9組不同幾何參數組合的刀具試驗結果可知,當幾何參數組合為γ₀＝12°，α₀＝8°，b_r1＝0.4mm，β＝38°時刀具的抗磨損性能最佳，該組幾何參數即為風扇輪曲面開槽用球頭立銑刀的優化參數。此外，由試驗結果可知，在加工中刀具使用30分鐘后應強制換刀，進行修磨后再重新使用，這樣可防止刀具進一步磨損引起破損失效。

 　　利用整體數控磨削加工技術制造加工鈦合金曲面用數控刀具時，采用正交試驗設計方法，可針對特定的工件材料和加工要求對刀具進行“量體裁衣”式設計，在采用普通刀具材料的情況下，通過優化刀具的幾何參數組合，可達到最佳的切削效果。試驗表明，在相同的切削條件下，經正交優化后的開槽球頭立銑刀的壽命比瑞士米克朗公司提供的相同外徑尺寸刀具的壽命提高二倍以上，其切削效果達到國際同類產品水平。

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