引言

TC4合金材料因具有韌性高､比強(qiáng)度大､抗高溫氧化等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于航空裝備､醫(yī)療機(jī)械和輕型交通設(shè)施等行業(yè)，尤其是在輕型精度測試設(shè)備中發(fā)揮著重要技術(shù)支持的效果 [1]｡但是激光熔覆成形合金因具備較高硬度導(dǎo)致機(jī)加工困難，因此開展針對難加工材料的刀具是熱點(diǎn)之一｡

由于鈦合金材料具備很高機(jī)械強(qiáng)度，從而極大提高了鈦合金加工難度 [2]｡對鈦合金進(jìn)行制造加工的過程中，切削力較大，切削溫度較高，容易引起刀具振動(dòng)和表面磨損，這使其加工難度加大 [3]｡根據(jù)前期文獻(xiàn)報(bào)道可知，國內(nèi)外眾多學(xué)者已開展了鈦合金的加工特性､工藝調(diào)整以及切削力方面的系統(tǒng)性研究工作｡韓曉蘭等 [4] 以難加工 TC11 鈦合金為對象，開展深孔鉆削試驗(yàn)，優(yōu)化主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量參數(shù)｡馮亞洲等 [5] 以難加工 TA15鈦合金為對象，研究機(jī)床主軸參數(shù)對切屑形態(tài)的影響，并對主參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化｡

針對 TC4 合金的激光加工研究工作，國內(nèi)外到目前為止還很少有文獻(xiàn)進(jìn)行報(bào)導(dǎo)｡本實(shí)驗(yàn)以 TC4 合金為研究對象，對其進(jìn)行快速銑削試驗(yàn)，并對其進(jìn)行了切削特性試驗(yàn)分析｡

1、實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

鑒于激光增材技術(shù)其具有工藝柔性和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，該加工方法有望在解決零件損傷修復(fù)問題的同時(shí)，研制出具有優(yōu)良抗高溫能力的新型材料｡本實(shí)驗(yàn)以鈦合金作為基材試樣，以 R2000iB 六軸機(jī)器人進(jìn)行激光脈沖實(shí)現(xiàn)激光脈沖激光的能量輸出，調(diào)節(jié)激光束的輸出功率為 3250 W｡熔覆層是厚度 3 mm 的金屬粉末，使其間隔不超過 0.6 mm｡在熔覆加工時(shí)，控制激光器頭部和涂層表面之間的距離保持在 285 mm 左右｡同時(shí)，在熔覆過程中一直保持氬氣通入，防止表層與空氣接觸發(fā)生氧化｡采用以上方法實(shí)現(xiàn) TC4 樣品的激光熔敷｡

本實(shí)驗(yàn)以 TC4 激光熔覆層作為研究對象，對其進(jìn)行高速切削試驗(yàn)｡采用電火花線切割法制得 50 mm×40 mm×40 mm 的樣品｡利用專門制作的夾具將樣品固定，然后調(diào)整夾具位置｡

硬質(zhì)刀具銑削試驗(yàn)照片如圖 1 所示，將 Kistler9265B 壓電探測儀設(shè)置在載荷測量中｡切削力方向與銑刀周向切向保持一致，此方向的功耗達(dá)到最大，會(huì)對切削加工過程產(chǎn)生重要影響，研究深入探討了對切削載力影響因素｡

1.2 實(shí)驗(yàn)方案制定

在 FANUC-D14MiA 立式加工中心上開展銑削測試，選用的是 Walter WMG40 硬質(zhì)銑刀，直徑為 20 mm, 刃數(shù)為 2, 前角為 12°, 后角為 14°, 螺旋角為 35°｡盧銀菊 [6] 在采用銑削處理鈦合金時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)主切削力隨著進(jìn)給量不斷增大而持續(xù)增大，主切削力隨著切削刃不斷增大而升高｡本文在前人基礎(chǔ)上和結(jié)合實(shí)際情況，確定銑削速度選取為 100~800 mm/min, 進(jìn)給量選取為 0.02~0.10 mm, 銑削深度選取為 0.02~0.10 mm｡

本實(shí)驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)方式，分析了切削速度､深度､進(jìn)給量等因素對切削力的影響，并開展逆向銑削試驗(yàn)｡

2、結(jié)果分析

2.1 銑削方向分析

如圖 2 所示給出了設(shè)定不同銑削條件下銑削 TC4 鈦合金所得的結(jié)果，由于設(shè)定了不同銑削方向，導(dǎo)致切削力發(fā)生改變｡試驗(yàn)結(jié)果表明，激光熔覆層形成各向異性結(jié)構(gòu)中，大部分的熱量是由激光產(chǎn)生，在基體上形成疊層結(jié)構(gòu)熔覆層｡陳莉等 [7] 發(fā)現(xiàn)銑削加工激光熔覆鈦合金時(shí)存在各向異性，與熔覆軌跡保持相同方向銑削，形成了比 90° 方向更高的主切削力｡隨著激光照射區(qū)域不斷前進(jìn)，合金溫度也出現(xiàn)了很大變化｡觀察各個(gè)溫度梯度下的材料顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際制得試樣微觀組織結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生很大變化，從而使材料微觀力學(xué)特性產(chǎn)生顯著變化｡

2.2 進(jìn)給量分析

如圖 3 所示，是在設(shè)定各個(gè)單齒輪進(jìn)給速率下對應(yīng)的鈦合金主削作用力測試數(shù)據(jù)，其中，銑削速度被設(shè)定在 400 mm/min, 銑削深度值 0.8 mm｡隨著進(jìn)給量的提高，激光熔覆合金的切削力發(fā)生了不斷增加的變化過程｡這是因?yàn)樵黾舆M(jìn)給量后可以使刀刃產(chǎn)生更大的切割厚度并形成更多未切割層，從而顯著提高切割阻力｡由于銑刀具有螺紋形態(tài)的表面結(jié)構(gòu)，在銑削加工過程中，多個(gè)刀刃會(huì)產(chǎn)生切出效應(yīng)｡在加工過程中，隨著刀具刃口的增加產(chǎn)生了較大切削力｡對兩種不同類型的鈦基材料進(jìn)行銑削試驗(yàn)，可以得到切削力符合 90° 銑削載荷最低的狀態(tài) [8]｡

2.3 銑削深度分析

如圖 4 所示顯示了在設(shè)定銑削速度為 200 mm/min 以及進(jìn)給量為 0.06 mm 的條件下各銑削深度對應(yīng)的切削力｡研究表明，隨著銑削深度的增加，切削力呈直線上升的趨勢｡這主要是因?yàn)殡S著銑削深度增大后，工件組織的去除過程會(huì)消耗更多能量，而刃口受到的阻力也更大｡

2.4 銑削速度分析

如圖 5 所示是當(dāng)進(jìn)給量為 0.04 mm 和銑削深度為 0.4 mm 的狀態(tài)下，設(shè)定各銑削速率下獲得的 TC4 主削削力｡研究發(fā)現(xiàn)，在 100~400 m/min 的范圍內(nèi)，隨著銑削速率的增加，切削力也逐漸增大｡隨著銑削速率的增加，切削力逐漸趨于平穩(wěn)｡由本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以看出，提高切割速度有利于提高鈦合金獲得更優(yōu)機(jī)械加工效果｡

3、結(jié)論

本文開展激光熔覆合金硬質(zhì)刀具銑削工藝下切削力分析，取得如下有益結(jié)果:

1) 激光熔覆層形成各向異性結(jié)構(gòu)中，大部分的熱量是由激光產(chǎn)生，基體上形成疊層結(jié)構(gòu)熔覆層｡

2) 隨著進(jìn)給量的提高，多個(gè)刀刃會(huì)產(chǎn)生切出效應(yīng)，激光熔覆合金的切削力不斷增加變化｡

3) 隨著銑削深度的增加，切削力呈直線上升，工件組織的去除過程會(huì)消耗更多能量｡

4) 隨著銑削速率的增加，切削力逐漸增大，逐漸趨于平穩(wěn)，有利于提高合金機(jī)械加工效果｡

參考文獻(xiàn)

[1] 李云義，李樹健，李鵬南，等.CFRP/TC4 疊層結(jié)構(gòu)鉆削仿真與實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 宇航材料工藝，2023,53 (6):32-39. (下轉(zhuǎn)第 93 頁)

[2] 賈宗強(qiáng)，白海清，張鑫何，等.TC4 鈦合金材料鉆削仿真與參數(shù)優(yōu)化 [J]. 兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2023,44 (10):94-105.

[3] 梁桂強(qiáng)，劉昂馳，高源。鈦合金 Ti6Al4V 與鋁合金 Al7075-T651 鉆削性能仿真對比分析 [J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2023 (4):133-136.

[4] 韓曉蘭，張旭康，劉戰(zhàn)鋒，等.TC11 鈦合金深孔鉆削試驗(yàn)研究與切屑形態(tài)分析 [J]. 工具技術(shù)，2023,57 (12):48-50.

[5] 馮亞洲，黃帥澎，劉雁蜀，等.TA15 鈦合金深孔鉆削試驗(yàn)研究 [J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2022 (2):39-42.

[6] 盧銀菊。硬質(zhì)合金刀具銑削參數(shù)對激光熔覆 TC4 合金切削力的影響 [J]. 四川冶金，2023,45 (3):10-12.

[7] 陳莉，張美娟。硬質(zhì)合金刀具銑削參數(shù)對激光熔覆 TC4 合金切削力的影響研究 [J]. 山西冶金，2023,46 (7):37-39.

[8] 陳冒風(fēng)，張臣，方軍，等。振動(dòng)輔助鉆削對 CFRP/ 鈦合金疊層結(jié)構(gòu)孔徑階差影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 宇航材料工藝，2022,52 (3):88-93.

（注，原文標(biāo)題：激光熔覆合金硬質(zhì)刀具銑削工藝下切削力分析）

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tag標(biāo)簽:激光熔覆,增材減材,TC4合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)

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