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TC4钛合金侧铣槽铣如何实现更好的效果呢?

点击:119 日期:2020-06-12 选择字号:
TC4钛合金侧铣槽铣如何实现更好的效果呢?

在航空航天业中,许多钛合金零件具有开口槽结构,需要钛合金侧铣槽铣,由整体毛坯切削去除较多余量而成,因比强度较高,这类零件在航空航天领域得到了广泛应用。传统开槽一般采用层铣加工方法,当加工较深的槽腔时,需要较长的铣刀悬伸。由于层铣加工时径向切削力较大,长悬伸铣刀切削极易产生振动,加剧刀具磨损,降低加工质量。因此,为降低切削振动,不得不大幅减小铣削深度和进给速度,导致加工效率很低。

  钛合金侧铣槽铣插铣通过铣刀的轴向进给进行大切除量加工,可以快速去除切削余量。田静云等通过对插铣的实验研究建立了插铣切削的力学模型;李湉等通过对整体叶轮粗加工的研究表明,与传统层铣相比,插铣过程中的径向铣削力减小50%以上,加工效率增加近一倍。


1 插铣示意图

  本文通过试验研究了插铣加工钛合金深槽的表面形貌、切屑形态、刀具磨损及加工效率等,为插铣工艺在深槽加工中的应用提供参考。

  1 插铣开槽工艺及刀具

  如图1所示,插铣加工时,铣刀沿轴向从工件上表面向下进给切削,到达底部后完成切削,向上抬起退刀至工件上表面的初始进刀位置,完成一次插铣加工过程。然后,铣刀沿槽腔纵向移动到下一位置,再重复前述的插铣加工过程,完成下一次插铣加工,此时的纵向移动距离为插铣的铣削宽度ae。依此方法,铣刀沿槽腔纵向从头至尾完成插铣加工后,再沿槽腔横向移动一个步距S,重复沿槽腔纵向的插铣加工。反复进行上述加工过程,直至完成整个槽腔的插铣加工。

  插铣加工需选用小主偏角铣刀,与普通层铣刀具相比,这种刀具在插铣加工时可把大部分切削力引向铣刀轴向,产生的径向力较小(见图2)。即使选用较大悬伸铣刀进行加工,仍可保持切削过程的稳定,为深槽的高效加工提供了可能。

  

2 插铣刀与层铣刀产生的切削力

  2 试验条件

  工件材料:TC4(Ti-6Al-4V)钛合金属于α+β钛合金,力学性能见表1。如图3所示,开口槽尺寸49mm×190mm×95mm,是窄而深的槽腔。

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3 加工零件主要尺寸

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4 CoroMill 210铣刀刀体()、刀片及接杆()

  插铣刀具选用山特维克可乐满CoroMill 210铣刀,刀体型号R210-042C4-09H,直径42mm。由于槽腔较深,在开槽切削时需配装加长接杆,接杆型号C5-391.02-40 065A。刀片型号R210-09 04 14E-PM,牌号S30T,刀片端刃长9.5mm。铣刀刀体及接杆实物如图4所示。CoroMill 210铣刀工作时主偏角κr=10°,切削力主要被引向轴向,径向力较小,可大幅减小长悬伸铣刀的切削振动。

  加工设备:南通机床厂生产的3180龙门铣床

  测量装置:选用VHX-1000C型超景深三维显微系统观测刀具前刀面和后刀面的磨损形貌。

  3 试验方案

  试验采用往复走刀路线,开槽起步沿着槽纵向走刀,回程再切削槽宽方向上的余量。起步第一列开槽宽度为满切宽(即铣刀直径)42mm,由槽宽49mm可知,回程切宽为余量7mm。由图1可知,试验中铣刀沿槽腔纵向往返移动各一次,且往返两列走刀路线之间的距离(即步距S)为完成第一列插铣开槽后槽腔侧壁的余量厚度7mm。由于刀具中心无切削刃,为避免撞刀,插铣时铣削宽度不能超过刀片的端刃长度,试验中铣削宽度选为6mm。综合考虑机床的功率和钛合金的切削性能,选择切削速度为40m/min,每齿进给量为0.15mm/min。切削参数如表2所示。

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  加工编程时需要注意,每次插铣结束时,在抬刀前应使刀具离开侧壁约1mm距离,防止退刀时的二次切削,加剧刀具磨损。插铣TC4深槽试验中,采用压力较高的大流量冷却液对切削区冷却,可使切削过程中产生的大量切屑顺利排出。

  4 试验结果与分析

  插铣切削过程中产生少量由切削液汽化形成的烟雾(见图5),表明切削区温度较高。切削区在大流量切削液冲刷下排屑顺畅,整个过程平稳。

  (1)已加工表面形貌

  插铣加工后TC4钛合金槽腔如图6所示。槽腔表面粗糙,侧壁刀痕明显,每隔6mm形成一个残留棱,棱高最大值为0.5mm。槽腔底部表面也有明显的刀痕。与层铣相比,插铣已加工表面粗糙,需进行后续精加工。

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5 插铣加工TC4深槽

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6 插铣加工零件表面形貌

  (2)切屑形态

  插铣加工中铣刀的端面刃为主切削刃,切削过程中铣刀沿其轴向的进给速度vf决定插铣加工的每齿进给量。与普通层铣类似,插铣切屑的大小由铣削宽度、每齿进给量等切削参数及铣刀直径、主偏角等铣刀几何参数共同决定(见图7a)。切屑宽度由铣削宽度和铣刀主偏角决定,切屑厚度由每齿进给量决定,切屑长度由铣削宽度和铣刀直径决定。插铣的切屑向外螺旋卷曲,切屑头部较窄,中部变宽,切屑尾部又逐渐变得很窄,单个切屑一般可形成两个螺旋(见图7b)。切屑尾部由宽逐渐变窄,表明铣刀在切出过程中承受载荷逐渐降低,刀片切出工件瞬间承受的拉应力也大幅降低。根据切屑形态可知,此时插铣切削状态有利于降低刀具的磨损,提高刀具使用寿命。

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  图7 切屑形成机理及切屑

  (3)刀具磨损情况

  图8为插铣加工后铣刀的磨损形貌。插铣加工中铣刀的主切削刃为端面刃,因此刀具磨损主要集中在铣刀的端面刃附近。图8a显示,磨损刀具的前刀面没有出现明显的月牙洼形态,前刀面的磨损区域非常靠近主切削刃,且微崩刃、沟槽磨损为其主要磨损形态;图8b显示,后刀面磨损带沿主切削刃分布,范围较大,但宽度较窄,后刀面磨损宽度VB约为0.145mm。磨损形式以微崩刃磨损为主。图8中显示刃口多处出现微崩刃,这是由于插铣过程中需要多次的进刀和退刀,进刀过程中会有较大的冲击力,加剧了刃口微崩刃的发生。

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 (a)前刀面磨损形貌        (b)后刀面磨损形貌

  图8 刀具磨损形貌100×(v=40m/minae=6mmfz=0.15mm/zs=7mmL=6.46m

  (4)切削时间对比

  试验测得插铣一次完整的进刀需用时35s,整个开槽过程需68次进刀,用时合计39.7min

  传统层铣选用可乐满CoroMill390(刀具直径42mm,主偏角90°)铣刀,切削速度50m/min,每齿进给量0.15mm/z。为避免刀具受径向力过大产生切削振动,切削深度不宜过大,推荐值为2mm;槽宽为49mm,显然层铣加工开槽首刀为满切宽铣削,即42mm;第2刀铣削宽度为剩余的7mm。层铣开槽的切削参数如表3所示。  

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9 插铣与层铣切削时间对比

  在此参数下层铣,共需切削48层,包括刀具空行程时间共为 82.5min。 如图9所示,插铣比层铣时间减少了约42.8min,切削效率提高了51.9%。在钛合金深槽的开槽加工中插铣的切削效率更高。

  小结

  通过试验对TC4钛合金深槽的插铣开槽进行研究,得到以下结论:

 插铣加工表面粗糙度较大,一般需要进行后续精加工;

 插铣刀具磨损主要发生在刀片的端面刃,磨损形态以微崩刃、沟槽磨损为主;

 插铣在进行深槽开槽粗加工时切削效率明显高于普通层铣。

  综上所述,插铣加工槽腔表面粗糙,一般还需进行二次精加工。在浅槽加工时,效率与传统层铣相比没有明显优势,因此插铣不是浅槽的首选开槽方法;当层铣加工深槽极易引发切削振动,导致刀具寿命、铣削效率和加工质量大幅降低时,可采用插铣取代传统层铣,大幅提高切削效率。


钛合金侧铣槽铣

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