1、序言
虽然钛合金凭借质量轻、强度高、耐高温及耐腐蚀等优异性能，成为兵器制造、航空航天等军工领域的关键结构材料，也是热端部件的首选材料[1]，但TC4钛合金属于典型难加工材料，切削过程中易产生加工硬化与加工变形，同时因导热系数低，切削区大量热量积聚导致切削温度急剧升高，加剧刀具与工件材料间的扩散与粘结，造成刀具快速磨损[2]，因此钛合金切削特性研究一直是加工领域的热点。
目前，行业普遍采用配备涂层硬质合金圆刀片的可转位铣刀进行钛合金铣削，以实现大余量高效切削。钛合金切削过程中，切削力、切削热与刀具磨损直接决定加工精度、表面质量与加工效率。切削力过大会引发工艺系统颤振，造成让刀变形，降低尺寸精度与表面质量；切削温度过高会改变工件表层组织，影响表面完整性[3−5]；刀具磨损加剧则会导致零件尺寸超差、报废，增加刀具成本。因此，开展圆刀片铣削钛合金的切削机理研究，掌握不同工艺参数下切削力、切削温度与刀具磨损的变化规律，对优化工艺方案、提升加工效率及降低生产成本具有重要工程意义。
本文采用圆刀片可转位铣刀开展TC4钛合金铣削试验，重点分析切削速度、每齿进给量对切削力、切削温度及刀具磨损的影响规律，进而给出适配现场生产的优选工艺参数。钛合金铣削速度需结合刀具材料与切削温度进行合理选取，每齿进给量需匹配刀具强度与机床刚度，以实现最大材料去除率[6−9]。
2、试验材料
2.1 工件材料
本试验采用尺寸为150mm×100mm×70mm的TC4钛合金块料，其元素组成见表1。
表1 TC4钛合金的元素组成(质量分数)(%)
| 元素 | Ti | Al | V | C | Fe | N | O | H |
| 含量 | 余量 | 6.01 | 3.87 | 0.009 | 0.19 | 0.07 | 0.05 | 0.01 |
2.2 试验设备和仪器
(1)试验机床 HURCO VMX42五轴立式加工中心具有良好的机床刚度和加工能力，其主要性能参数见表2。试验现场如图1所示。
表2 HURCO VMX42主要性能参数
| X行程/ mm | Y行程 mm | Z行程/ mm | A轴/ (°) | C轴/ (°) | 最大主轴转速/ (r/min) | 主轴功率/ kW | 定位精度/重复定位精度/ mm |
| 1067 | 610 | 610 | ±110 | ±3600 | 12000 | 18 | 0.01/0.005 |
(2)试验刀具如图2所示，采用森拉天时圆刀片可转位铣刀，刀片的型号为RPHX1204M4EN-M31 CTC5235，涂层材质TiCN-Al₂O₃(CVD)；刀盘型号A251.40.R.04-12-RE。圆形刀片直径12mm，安装刀片后的刀具直径为40mm，4齿。
(3)测量仪器：钛合金切削力在线测量选用Kistler 9272四向压电式测力仪，配套的电荷放大器为Kistler 5017B。钛合金铣削温度的在线测量选用FLIR A65型红外热像仪。铣削刀具磨损选用基恩士超景深显微镜VHX-600检测，可观察刀具刃口和前后刀面的磨损形貌，测量后刀面磨损带宽度。
2.3 试验工艺参数
本文采用单因素试验法开展切削速度和每齿进给量对TC4钛合金铣削特性的影响研究，在试验中保持其他切削参数和刀具型号不变，铣削方式为顺铣，每组试验的切削深度保持为2mm，切削宽度为5mm。由于测力仪在线测量不受外力干扰，因此试验中不施加切削液。具体的试验工艺参数见表3。
表3 试验工艺参数
| 工艺指标 | 参数 |
| 切削速度vc(m/min) | 60，65，70，75，80，85，90 |
| 每齿进给量fz(mm/z) | 0.20，0.25，0.30，0.35，0.40 |
试验过程中，每间隔一定的材料去除量暂停加工并取下刀具，将刀具刃口置于超景深显微镜下，观察圆刀片的磨损形态并测量，记录后刀面的磨损量。
3、试验结果与分析
3.1 切削力
切削速度 v c 对切削力的影响如图3所示，在每齿进给量 fz=0.35mm/z保持不变的情况下，随着切削速度的增大，三向切削力均变化不明显。由此可知，圆刀片可转位铣刀在加工钛合金时，切削力受刀具切削速度的影响非常微弱。这意味着，提高切削速度不会显著增加切削力，因而也不会导致因切削力过大带来的振动和"让刀"等问题。因此，在对切削力不敏感的加工工况下，比如薄壁类工件加工，可适当提高切削速度，从而提高加工效率。
每齿进给量对切削力的影响如图4所示，在切削速度 vc=75 m/min不变的情况下，每齿进给量对切削力的影响显著，随着每齿进给量增加，切削力呈线性增大。由于未变形的切屑厚度是影响切削力的关键因素，因此随着每齿进给量的增大，未变形的切屑厚度也随之增大，进而引起切削力的增大。因此，为了合理控制切削力，避免发生严重的切削振动，同时防止因刀片强度不足而发生断刀和崩刃等风险，每齿进给量 f z 不宜取值过大。
3.2 切削温度
采用红外热像仪获得的圆刀片可转位铣刀铣削钛合金时的瞬时温度场如图5所示。可见，切削区的温度最高，约为210℃，切屑的温度处于较高的范围，接近最高温度。工件离切削区较远部位的温度接近于室温，而工件紧靠切削区的部位以及刀具的温度在100℃左右。此温度场分布表明，切削区内刀具和工件相互强力干涉产生的工件材料剪切变形和刀具-工件接触面挤压摩擦是切削热的来源。同时，切屑剪切变形热占比更大，生成的热量大部分残存在切屑上，随着切屑的断裂和飞离而被带走，这一特性有利于避免更多的热量传入到刀具中而加剧刀具的磨损失效。
切削速度 v c 对切削温度的影响如图6所示。由图6可知，每齿进给量保持0.2mm/z不变的情况下，随着切削速度的增大，切削温度呈线性增大。当切削速度为60m/min时，切削温度约为200℃；当切削速度为90m/min时，切削温度逼近于350℃。这一温度会加剧钛合金的活泼元素与刀具基体材料之间的扩散，刀具基体和钛合金工件材料会发生粘结，造成圆刀片的快速磨损失效。为了兼顾加工效率，本文推荐圆刀片可转位铣刀加工钛合金时的切削速度 v c 为75m/min。
每齿进给量对切削温度的影响如图7所示，当切削速度 v c = 60 m/min保持不变时，随着每齿进给量的增加，切削温度变化不显著，仅有轻微增加，可见每齿进给量变化对切削温度的影响较小。
3.3 刀具磨损
结合加工经验可知，钛合金铣削加工，切削速度和每齿进给量对刀具磨损的影响很大。针对TC4钛合金展开了一系列不同切削速度的加工试验，分析其对刀片刃口磨损的影响规律。以刀具的后刀面磨损带宽度作为衡量刀具刃口磨损程度的量化评价指标，使用前述同种规格的圆刀片，在不同切削速度下，使刀具保持相同的进给速度和切削深度，对同等体积(150mm×100mm×10mm)的钛合金材料进行去除后，采用超景深显微镜观察到的刀片刃口磨损形貌如图8所示。由图8可知，不同的切削速度，圆刀片刃口均会发生不同程度的磨损，刀尖处刃口出现明显的塌陷和缺口，后刀面出现严重磨损，前刀面未出现月牙洼磨损。随着切削速度 v c 从60m/min增加到90m/min，刀尖刃口的磨损程度明显加剧，磨损缺口的宽度逐渐增宽，长度并无显著变化。通过观察磨损形貌图可知，由于钛合金弱刚度特点，刀具与工件挤压造成切削区域材料回弹，位于切削区域刃口附近的后刀面与工件表面接触面积增大，发生强烈的挤压和摩擦，加剧了后刀面的磨损。
后刀面磨损带宽度随切削速度的变化关系如图9所示。由图9可知，随着切削速度的增大，后刀面磨损宽度也随之增大，呈正相关趋势。其原因在于，切削速度增加后，切削区内工件材料的剪切变形生热和摩擦生热效应均有所加剧，导致切削温度升高。在高温和高速摩擦作用下，刀片刃口发生了更为剧烈的扩散磨损和高温粘结磨损，这些磨损形式尤其倾向于发生在与工件材料紧密贴合的后刀面上，使后刀面磨损带逐渐变宽。
当刀具的切削速度 vc=70 m/min时，完成同等材料的去除量后，后刀面磨损带宽度随每齿进给量的变化关系如图10所示。随着每齿进给量的增大，后刀面磨损宽度也随之增大，近似线性增加。每齿进给量<0.30mm fz>0.35 mm/z时，后刀面磨损宽度变化显著。对比结果表明，每齿进给量 fz=0.30mm/z是该型圆刀片在加工钛合金时的一个门槛，在该参数下，刀具的磨损较轻，且加工效率也较高。因此，本文推荐选取每齿进给量 fz=0.30mm/z作为较优的参数值，用于钛合金的实际加工作业。
4、结束语
通过研究不同切削速度和每齿进给量对钛合金切削力、切削温度及刀具磨损的影响规律，得出结论如下。
每齿进给量不变，切削速度增加不会影响三向切削力；切削速度不变，每齿进给量的增大会使切削力近似呈线性增加。
在钛合金的切削过程中，生成的热量大部分残留在切屑上，随着切屑的断裂和飞离而被带走。每齿进给量不变，切削速度增加会使切削温度近似呈线性增加。而切削速度不变，每齿进给量的增加仅导致切削温度有轻微的增加。为了兼顾加工效率，推荐圆刀片可转位铣刀加工钛合金时的切削速度为75m/min。
在不同的加工参数下，刃口均发生了不同程度的缺口和塌陷；后刀面的磨损较为严重，而前刀面未出现典型的月牙洼磨损。在同等材料去除量条件下，后刀面磨损带宽度受切削速度的影响更大，而每齿进给量变化带来的影响相对较小。每齿进给量 fz= 0.30 mm/z是圆刀片在加工钛合金时的较优参数。
参考文献
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（注，原文标题：基于圆刀片可转位铣刀的TC4铣削工艺参数优化_霍晓佩）
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