基于PCD刀具的TA15钛合金精密铣削工艺优化及刀具磨损研究.pdf
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1、Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术机械工程与技术,2023,12(5),464-473 Published Online October 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/met https:/doi.org/10.12677/met.2023.125051 文章引用文章引用:罗育银,段周波.基于 PCD 刀具的 TA15 钛合金精密铣削工艺优化及刀具磨损研究J.机械工程与技术,2023,12(5):464-473.DOI:10.12677/met.2023.125051 基于基于PC
2、D刀具的刀具的TA15钛合金精密铣削工艺优化钛合金精密铣削工艺优化及及刀具刀具磨损研究磨损研究 罗育银罗育银*#,段周波段周波 深圳市创世纪机械有限公司,广东 深圳 收稿日期:2023年9月4日;录用日期:2023年10月17日;发布日期:2023年10月23日 摘摘 要要 采用聚晶金刚石采用聚晶金刚石(PCD)刀具对刀具对TA15钛合金进行高效精密铣削试验,对比研究钛合金进行高效精密铣削试验,对比研究主轴转速、铣削深度、铣削主轴转速、铣削深度、铣削宽度宽度及及每每齿齿进给量进给量等铣削参数对钛合金加工表面质量的影响,根据优化的铣削参数开展等铣削参数对钛合金加工表面质量的影响,根据优化的铣削参
3、数开展PCD刀具的磨损刀具的磨损实验研究。钛合金铣削实验结果表面,当实验研究。钛合金铣削实验结果表面,当主轴转速主轴转速N、铣削深度、铣削深度ap、铣削宽度、铣削宽度ae、每、每齿齿进给量进给量fz分别为分别为12,000 r/min、3 mm、20 m、0.02 mm/z时,时,PCD刀具侧铣刀具侧铣TA15钛合金的切削性能最好,钛合金铣削表面钛合金的切削性能最好,钛合金铣削表面粗糙度可达粗糙度可达0.055 m。磨损实验结果表明,。磨损实验结果表明,PCD刀具的磨损趋势与理论磨损曲线相吻合,经历初期磨损、刀具的磨损趋势与理论磨损曲线相吻合,经历初期磨损、稳定磨损、剧烈磨损三个状态,刀具磨损
4、量及铣削表面粗糙度随铣削长度的累加而增长,当铣削长度为稳定磨损、剧烈磨损三个状态,刀具磨损量及铣削表面粗糙度随铣削长度的累加而增长,当铣削长度为210 m时后刀面局部最大磨损宽度达到时后刀面局部最大磨损宽度达到259.9 m,同时钛合金表面粗糙度可达,同时钛合金表面粗糙度可达0.312 m,表面存在少量,表面存在少量的粘钛,但是刀具在铣削的粘钛,但是刀具在铣削218 min后仍能保证一定的切削性能,能有效实现后仍能保证一定的切削性能,能有效实现TA15钛合金长时间的高效精钛合金长时间的高效精密铣削加工。密铣削加工。关键词关键词 PCD刀具刀具,钛合金钛合金,TA15,磨损磨损,铣削铣削 Pro
5、cess Optimization and Tools Wear of Precision Milling of TA15 Titanium Alloy Based on PCD Tools Yuyin Luo*#,Zhoubo Duan Shenzhen Chuangshi Machinery Co.,Ltd.,Shenzhen Guangdong Received:Sep.4th,2023;accepted:Oct.17th,2023;published:Oct.23rd,2023 *第一作者。#通讯作者。罗育银,段周波 DOI:10.12677/met.2023.125051 465 机
6、械工程与技术 Abstract Polycrystalline diamond(PCD)tools were used to carry out high-efficiency precision milling tests on TA15 titanium alloy,to comparatively study the influence of milling process parameters such as spindle speed,milling depth,milling width and feed per tooth on the surface quality of ti
7、tanium alloy machining,and to carry out experimental studies on the wear of PCD tools according to the optimised process parameters.The results of titanium alloy milling experiments show that when the spindle speed N,milling depth ap,milling width ae,and feed per tooth fz are 12,000 r/min,3 mm,20 m,
8、and 0.02 mm/z,respectively,the PCD tool has the best cutting performance in side milling of TA15 titanium alloy,and the roughness of the milled surface of titanium alloy is up to 0.055 m.The results of the wear experiments show that the wear trend of PCD tool is in line with the theoretical wear cur
9、ve.The wear trend coincides with the theoretical wear curve,through the initial wear,stable wear,intense wear of three states,the amount of tool wear and milling surface roughness with the accumulation of the milling length and growth,when the milling length of 210 m,the maximum width of the rear fa
10、ce of the local maximum wear width of 259.9 m,and at the same time,the surface roughness of the titanium alloy up to 0.312 m,the surface of the small amount of adhesion to the surface of the titanium alloy,but the tool can still ensure a certain de-gree of cutting performance after 218 min of millin
11、g.However,the cutting performance of the tool can still be guaranteed after 218 min,which can effectively realize the efficient and precise milling of TA15 titanium alloy for a long time.Keywords PCD Tools,Titanium Alloy,TA15,Wear,Milling Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work
12、is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 TA15 钛合金因其高比强度、良好的热稳定性和高温耐腐蚀性等优异性能,被广泛应用于航空航天、生物医学、石油化工、汽车船舶等多个领域1 2 3。但是低弹性模量与高屈服应力比的特性只允许钛合金发生少量塑性变形,增大刀具的摩擦路程及切削力4,同时其摩擦系数大及导热差的特性,导致工件表面与刀具后刀面间、刀具前刀面与切屑间因挤压摩擦聚集大量的
13、切削热,且 TA15 钛合金中主要元素 Ti 与 Al 在高温下与大多数切削刀具材料的化学活性强,使得刀具与工件表面间极易发生粘结和扩散现象,从而导致刀具的高扩散磨损率及工件表面钛合金残余物的粘附,在减少刀具寿命的同时降低钛合金加工表面质量,极大影响了钛合金的可加工性5。针对目前钛合金加工存在的粘刀、工件表面粘屑的问题,学者提出许多方法,如采用刀具涂层技术,在刀刃表面涂覆单层、双层或多层功能涂层,减少刀具基体的磨损率,提高刀具使用寿命6、采用多能场辅助加工技术,在传统切削工艺中加入超声波、电火花、激光等辅助技术7 8 9、优化刀具的结构10、结合新型的冷却润滑技术,改善刀具与工件表面接触区域的
14、冷却润滑情况11等。目前切削钛合金的常用刀具大多为硬质合金刀具,结合上述方法一点程度上能提高刀具的加工性能,但由于切削温度高,刀具与工件材料间的粘附严重,刀具失效过快,影响加工效率12。与硬质合金刀具相比,PCD 刀具的Open AccessOpen Access罗育银,段周波 DOI:10.12677/met.2023.125051 466 机械工程与技术 导热系数是其四倍4,硬度是其两倍多,其软化温度更是高于市面上的其他切削材料13。同时因其低摩擦系数、与非铁基金属元素化学亲和力低等优越性能,能有效地改善目前钛合金加工中刀具磨损严重、加工表面质量差的问题,被应用于钛合金的加工实践中14,尤
15、其是在钛合金的高速切削中,PCD 刀具表现出更优越的抗粘附、抗摩擦和抗磨损性能。Oosthuizen 等4对比研究 PCD 刀具和涂层硬质合金刀具在超过 100 m/min 的高速铣削下的刀具寿命、切削力和表面粗糙度,研究表明 PCD 刀具的磨损进程更慢,刀具寿命更长。苏宏华等3对比研究 PCD 与 PCBN 刀具在高速铣削加工下的刀具性能和磨损机理,研究表明 PCD 刀具在 350 m/min 下刀具寿命能达到 59 min,在相同条件下的刀具寿命远高于 PCBN 刀具的3 min。王晓明15研究高速铣削下切削参数对表面粗糙度的影响趋势曲线,验证高速铣削下的表面粗糙度模型。目前 PCD 刀具
16、铣削钛合金的研究大多数集中于高转速大进给的粗加工,对于 TA15 钛合金的高效精密铣削的研究甚少。研究表明 PCD 刀具在切削温度控制良好的情况下,对于有色金属的精加工表现出极强的耐磨性,在钛合金的精密铣削加工拥有极好的刀具寿命,避免频繁的换刀,有效保证产品尺寸的一致性16。因此本文采用 PCD 铣刀对 TA15 钛合金进行精密铣削实验,对比研究主轴转速、铣削深度、铣削宽度和每齿进给量等铣削参数对钛合金铣削表面质量的影响,根据优化的铣削参数研究钛合金精密铣削磨损实验中 PCD 刀具的磨损情况和工件加工表面质量的变化,实现 TA15 钛合金长时间的高效精密铣削加工。2.实验设计及设备实验设计及设
17、备 钛合金的精密铣削实验均在台群精机钻铣三轴加工中心 T-500Bplus 上进行,如图 1 所示,铣削方式为顺铣及侧铣。刀具采用 4 刃10 mm 的 PCD 立铣刀,前角为 0,后角为 15,螺旋角为 6。加工工件材料为 TA15 钛合金,其化学成分和室温下物理力学性能分别如表 1 和表 2 所示。采用 ALPHA COOL 800环保型合成切削液进行冷却处理。Figure 1.Experimental device for the precision milling process of titanium alloy 图图 1.钛合金精密铣削实验装置 Table 1.Chemical c
18、omposition of TA15 titanium alloy(%)表表 1.TA15 钛合金的化学成分(%)标准 Al V Fe C N H O Ti GB/T 3620.1-2018 5.56.5 3.54.5 0.3 0.1 0.05 0.015 0.2 余量 罗育银,段周波 DOI:10.12677/met.2023.125051 467 机械工程与技术 Table 2.Physical and mechanical properties of TA15 titanium alloy at room temperature 表表 2.TA15 钛合金室温物理力学性能 性能 密度(g
19、/cm3)弹性模量(GPa)屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)延伸率(%)硬度(HBS)参数值 4.45 118 880 950 10 225341 采用单因素实验,以主轴转速 N、铣削深度 ap、铣削宽度 ae、每齿进给量 fz为研究对象,采用 PCD刀具,在忽略刀具磨损情况下,对比研究四种不同变量对钛合金加工表面质量的影响,详细铣削参数如表 3 所示。采用 SEM 扫描电子显微镜检测工件已加工表面性形貌,利用激光共聚焦 3D 显微镜测量钛合金铣削表面粗糙度,针对每组参数,沿进给速度方向重复测量 5 处,取 5 次测量结果的平均值作为此组实验参数的表面粗糙度 Ra。根据单因素试验优化后的铣
20、削参数,进行钛合金的精密铣削磨损实验,研究 PCD 刀具在精加工中磨损和加工表面质量的变化趋势,优化的铣削参数为主轴转速 N=12,000 r/min、铣削深度 ap=3 mm、铣削宽度 ae=20 m、每齿进给量 fz=0.02 mm/z。实验加工过程中每当铣削长度达到 30 m 时,卸下铣刀,通过 SEM 扫描电子显微镜检测刀具的磨损形貌、钛合金加工表面形貌及后刀面磨损带宽度,根据立铣刀寿命判定依据,第一后刀面平均磨损带宽度 VB 达到 0.3 mm 或磨损带局部最大宽度 VBmax达到 0.5 mm 作为刀具磨钝标准17,由于 PCD 刀具刀尖区域承受更多的热/机械疲劳应力,磨损最为严重
21、,因此取刀具后刀面参与铣削区域的磨损带局部最大宽度 VBmax作为刀具的磨损量;利用激光共聚焦 3D 显微镜测量钛合金铣削表面粗糙度,沿进给速度方向重复测量 10 处,取其平均值作为钛合金的加工表面粗糙度。Table 3.Experimental parameter table of the milling process of titanium alloy 表表 3.钛合金铣削实验加工参数表 序号 主轴转速 N(r/min)铣削深度 ap(mm)铣削宽度 ae(m)每齿进给量 fz(mm/z)1 8000 3 20 0.02 2 10000 3 20 0.02 3 12000 3 20 0.
22、02 4 14000 3 20 0.02 5 12000 2 20 0.02 6 12000 4 20 0.02 7 12000 5 20 0.02 8 12000 3 10 0.02 9 12000 3 30 0.02 10 12000 3 40 0.02 11 12000 3 20 0.01 12 12000 3 20 0.03 13 12000 3 20 0.04 3.实验结果与讨论实验结果与讨论 3.1.铣削参数对表面粗糙度及形貌的影响铣削参数对表面粗糙度及形貌的影响 当主轴转速 N=12,000 r/min、铣削深度 ap=3 mm、铣削宽度 ae=20 m、每齿进给量 fz=0.0
23、2 mm/z时,钛合金加工表面粗糙度最佳,可达 0.055 m,PCD 刀具铣削 TA15 钛合金工件表面形貌如图 2 所示。罗育银,段周波 DOI:10.12677/met.2023.125051 468 机械工程与技术 图 3 给出了表 3 加工参数条件下,TA15 工件加工表面粗糙度的测量结果,通过分析得到四个铣削参数对工件表面粗糙度的影响。由图 3(a)可以看出,钛合金加工表面粗糙度随着主轴转速升高,呈现先减后增的趋势,但是在 8000到 12,000 r/min 之间,钛合金加工表面粗糙度变化不明显,在每齿进给量不变下,高转速带来高进给速度,而在合适的进给速度下,加工表面质量变化不明
24、显,却能有效提高效率,而在低转速的加工中,刀具与工件的接触时间较长,切削热不能有效及时地排出,残余热量的累积影响加工表面质量;而随着转速的提高,高速下机床本身的振动对加工精度的影响变大,导致刀具运行不稳定,加工表面形成振纹。因此可在保证振动对加工表面质量的弱影响下提高主轴转速,提高加工效率。Figure 2.The surface morphology of titanium alloy under different machining parameters:(a)spindle speed N;(b)mil-ling depth ap;(c)milling width ae;(d)feed
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