石 莉，姜增輝

（沈陽理工大學機械工程學院，沈陽 110159）

S30T正交車銑TC4鈦合金刀具壽命試驗分析*

石 莉，姜增輝

（沈陽理工大學機械工程學院，沈陽 110159）

在Mazak Integrex 200Y車銑復合加工中心上，在順銑干切和切削液條件下，在v=100～250 m/min四種不同切削速度下，采用涂層硬質合金S30T對TC4鈦合金進行正交車銑刀具壽命試驗，試驗結果表明切削速度為100m/min和150m/min時，切削液對刀具壽命的影響不明顯，當切削速度為200m/min和250m/min時，切削液條件下，刀具的壽命延長，但隨著切削速度的提高，刀具壽命劇降。試驗分析了在順銑干切削金屬切除率相同時，切削要素（切削速度，每齒進給量和切削深度）分別提高一倍對刀具壽命影響，結果表明涂層硬質合金正交車銑TC4鈦合金時影響刀具壽命最主要因素是切削速度，切削深度次之，影響最小的是每齒進給量。

正交車銑；涂層硬質合金；S30T；刀具壽命

0 引言

TC4鈦合金是航空航天常用的優(yōu)質材料，但切削時切削溫度高、回彈量大及化學活性強，是典型的難一種典型的難加工材料［1］。目前，國內外企業(yè)回轉體鈦合金零件一般加工方法為車削，常用的刀具材料為硬質合金，據(jù)相關資料［2-10］研究表明，車削加工鈦合金黏結磨損比較嚴重，而且刀具易發(fā)生脆性破損，刀具使用壽命低，車削產生的連續(xù)切屑，斷屑困難，易纏繞刀具和工件，熱量的集聚不僅加劇刀具磨損，更易引起火災。車銑技術，利用刀具的高速旋轉和工件的低速回轉，有效的解決切削效率和切屑斷屑問題［11］。但國內外關于車銑加工鈦合金的資料甚少，沈陽理工大學吳波在對高速車銑鈦合金切削用量進行優(yōu)化的研究中，應用超微粒碳化物材質刀具在順銑干切條件下，針對94～188m/min四種不同切削速度，簡單分析了刀具的磨損形態(tài)和磨損機理但并沒有研究刀具的壽命，也沒有研究切削液對刀具壽命的影響，更沒有涉及涂層刀具正交車銑鈦合金的研究。為了推廣車銑技術在鈦合金加工中的應用，有必要研究涂層硬質合金材料在不同切削條件下切削鈦合金的切削特性，本論文采用S30T涂層硬質合金進行正交車銑鈦合金切削加工試驗，研究其在順銑干切及切削液條件下，四種不同切削速度下刀具壽命及金屬切除率相同時，不同切削要素變化對刀具壽命的影響，對鈦合金的生產加工有一定的指導意義。

1 切削試驗

1.1 試驗條件

試驗選用日本Mazak公司生產的Integrex 200Y車銑復合加工中心，正交車銑試驗裝置如圖1所示。選用瑞典山特維克直柄圓柱可轉位銑刀桿R390-025A25-11L，為中型的方肩面銑刀，直徑為φ25mm，疏齒，齒數(shù)2，等距，刀桿長120mm，刀頭長32mm，最大轉速36500r/min，刀具主偏角為kr=90°，副偏角k′r= 0°，刃傾角為λs=17.06°。副后角α′=20°，刀片為涂層刀片S30T，型號為R390-11 T308M-PL，PVD涂層，具有鋒利的切削刃，很強的抗疲勞強度和抗微崩刃的能力，在較高的速度下可以獲得更高的刀具使用壽命和更好的抗氧化性能。工件材料為TC4鈦合金，棒料，直徑為φ168.7mm。

1.2 試驗方案

正交車銑TC4鈦合金試驗主要分為兩組。第一組，順銑干切和切削液時，四種不同切削速度下，S30T涂層硬質合金刀具壽命；第二組，金屬切除率相同，改變不同切削要素時刀具壽命。

試驗過程中刀具與工件的位置關系（從床身內側看）及參數(shù)如圖2所示。

圖2 刀具與工件位置關系及參數(shù)圖

第一組試驗過程中保持不變的參數(shù)為；軸向進給量fa=9.8mm，每齒進給量fz=0.1mm/z，偏心距e= 11mm，切削深度ap=0.4mm，表1以外其它參數(shù)根據(jù)需要進行必要的調整。第一組試驗方案如表1。

表1 第一組試驗方案

第二組試驗過程中保持不變的參數(shù)為；軸向進給量fa=9.8mm，偏心距e=11mm，順銑干切削，表2以外其它參數(shù)根據(jù)需要進行必要的調整。第二組試驗方案如表2。

表2 第二組試驗方案

2 試驗結果分析

為了保證試驗的準確性，每次試驗都采用新刀片。試驗過程中采用日本VHX-1000C型超景深三維顯微系統(tǒng)觀察刀具磨損形貌，并在三維狀態(tài)下測量刀具后刀面的磨損帶寬度。由于后刀面磨損相對比較規(guī)則，測量后選取所有刀片磨損量平均值作為后刀面磨損量VB。當?shù)毒吣p量達到0.3mm時，刀具達到磨鈍標準，繼續(xù)切削刀具磨損加劇。當切削層面積相等時，切削路程越長，金屬切除量就越大，刀具壽命也就越長，因此切削路程可以直接反應刀具壽命。當金屬切除率相同時，切削時間越長，刀具壽命就越長。

2.1 不同切削速度下刀具壽命分析

圖3為不同切削速度下，在干切削和切削液條件下刀具磨損曲線圖。從圖2a可以看出，當切削速度為100m/min時，S30T涂層硬質合金刀具正交車銑TC4鈦合金時，當磨損量達到磨鈍標準0.3mm時，干切削和切削液條件下切削路程分別為43m和42m，當切削速度為150m/min時，干切削和切削液條件下切削路程分別為7m和8m，由此可見兩種切削速度下，切削路程相差不大，所以在切削速度小于150m/min時，切削液對切削路程影響不明顯，因此對刀具壽命影響不大。從圖2b可以看出，當切削速度為200m/min時，干切削和切削液條件下切削路程分別為1.25m和2.3m，當切削速度為250m/min時，干切削和切削液下切削路程分別為0.75m和1.25m，由此可見，切削液對切削路程影響明顯，刀具壽命延長，TC4鈦合金精加工，高速正交車銑時，可以使用切削液。從圖還可以看出，隨著切削速度的提高，刀具壽命劇降，鈦合金加工過程中，切削速度對刀具壽命影響很大。

造成這種切削速度在100m/min和150m/min影響不明顯，而200m/min和250m/min影響較為明顯的原因主要是在切削速度低于150m/min時，切削過程產生的切削溫度并不是很高，而切削速度在200m/min以上切削過程產生的切削熱多，切削溫度高，而每一種刀具材料都有合適的切削溫度，在最佳的切削溫度切削，刀具的壽命長。因此，高速時切削液的應用有效地降低了切削區(qū)的溫度，延長了刀具壽命，低速時，效果不明顯。圖4為150m/min和200m/min兩種切削速度，在切削路程分別為2.588m和1.06m時，順銑干切削和切削液條件下，刀具主后刀面磨損形貌圖，從圖可以看出，刀具主要磨損為黏結磨損。

圖3 不同切削速度刀具磨損曲線圖

圖4 不同切削條件下刀具主后刀面磨損形貌

2.2 金屬切除率相同時刀具壽命分析

圖5為順銑干切削金屬切除率相同時，切削要素（切削速度，每齒進給量和切削深度）分別提高一倍刀具磨損曲線圖。從圖中可以看出，當切削速度為200m/min、每齒進給量為0.1mm/z、切削深度0.4mm時，當?shù)毒吣p量達到磨鈍標準0.3mm時，刀具壽命T=2.5min，刀具壽命最短；當切削速度為100 m/min、每齒進給量為0.2mm/z、切削深度為0.4mm時，刀具壽命T=43min，刀具壽命最長；當切削速度為100 m/min、每齒進給量為0.1mm/z、切削深度為0.8mm時，刀具壽命T=34min，刀具壽命次之。由此可見，金屬切除率相同時，切削速度對刀具壽命影響最大，切削深度次之，對刀具壽命影響最小的是每齒進給量。因此，正交車銑加工TC4鈦合金時，可以通過提高每齒進給量和切削深度的方法提高生產率。

圖5 改變不同切削要素時刀具磨損曲線圖

3 結論

采用涂層硬質合金S30T對TC4鈦合金進行正交車銑試驗，結果表明；

（1）切削速度為100m/min和150m/min時，切削液對刀具壽命影響不明顯。

（2）當切削速度為200m/min和250m/min時，切削液條件下，刀具壽命延長，隨著切削速度的提高，刀具壽命劇降。

（3）金屬切除率相同時，影響刀具壽命最主要因素是切削速度，切削深度次之，影響最小的是每齒進給量。

［1］張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應用［M］.北京；化學工業(yè)出版社，2005.

［2］李友生，鄧建新，李甜甜，等.不同刀具材料高速車削鈦合金的性能研究［J］.武漢理工大學學報，2009，31（15）；29-32.

［3］李友生吳沖滸，陳榮德.高速車削鈦合金時硬質合金刀具和涂層刀具的壽命分析［J］.制造技術與機床，2011（6）；99-101.

［4］山特維特可樂滿公司.鈦合金加工前沿技術［J］.航空制造技術，2008（23）；63-64.

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（編輯 李秀敏）

Tool Life Test Analysis of S30T when Orthogonal Turn-milling TC4 Titanium Alloy

SHILi，JIANG Zeng-hui
（School of Mechanical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

；The test of tool life were done on Mazak Integrex 200Y machining center，under four different velocities with in v=100～250m/min，down orthogonal Turn-milling TC4 Titanium Alloy with S30T coated Carbide tool under the condition with cutting fluid and without cutting fluid.The results of the test show that the cutting fluid had little effect on the tool life when the velocity was150m/min and 100m/min.While when the velocity was200m/min and 250 m/min，the tool life with cutting fluid was longer than that without cutting fluid，but the tool life fell severely with the velocity increasing.The test also analyzed the influence of cutting factors（cutting velocity，F(xiàn)eed per tooth，cutting depth），increasing twice，on the tool life under the condition of the same metal removal rate without cutting fluid.The results show that the velocity is the most important factor on tool life when orthogonal Turn-milling TC4 Titanium Alloy with S30T Carbide tool，the cutting depth takes second place and Feed per Tooth has least effect on tool life.

；orthogonal turn-milling；coated carbide；S30T；tool life

TH142；TG506

A

1001-2265（2015）05-0021-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.006

2014-09-24；

2014-10-27

″高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備″科技重大專項（2012ZX04003-061）

石莉（1977—），女，山東曹縣人，沈陽理工大學副教授，博士研究生，研究方向為高速切削和車銑技術，（E-mail）811029556@qq.com。