Ti-6Al-4V(TC4)屬于一種高比強(qiáng)度、優(yōu)異韌性以及耐高溫環(huán)境的合金，被廣泛應(yīng)用于各種核心工業(yè)領(lǐng)域，如航空航天、醫(yī)療設(shè)備、交通運(yùn)輸、精密測(cè)量設(shè)備等，為這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步提供了重要支持。可將其用于制造高強(qiáng)度罩殼、支撐座架、排氣裝置、隔熱層和耐熱蒙皮，從而極大地推動(dòng)了航空技術(shù)的快速進(jìn)步[2]。

按制造工藝，鈦合金分為鍛造、鑄造等類別。其加工時(shí)切削力大、溫度高，易引發(fā)刀具振動(dòng)和表面嚴(yán)重磨損，故為難加工材料[3]。馮亞洲等[4]設(shè)計(jì)了基于深度學(xué)習(xí)和BP網(wǎng)絡(luò)的鈦合金容屑系數(shù)預(yù)測(cè)方法，模型決定系數(shù)超0.9，切屑以短帶狀為主，加工穩(wěn)定。張澤華等[5]對(duì)鈦合金開展微孔鉆削Deform-3D仿真與試驗(yàn)，結(jié)果表明超聲振動(dòng)鉆削較普通鉆削在軸向力和溫度上均有明顯降低。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，開展TC4合金高速銑削時(shí)主切削力研究，加強(qiáng)參數(shù)優(yōu)化分析，研究結(jié)果具有很高的實(shí)際意義。

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1　試樣制備

以鈦合金板為對(duì)象，采用Lasertel激光器進(jìn)行激光熔覆，參數(shù)為：功率3250W，掃描速度5mm/s，光斑尺寸12mm×3mm，粉層厚度3mm，熔覆層距0.6mm，激光頭與熔覆面間距285mm，通入氬氣保護(hù)，成功制備TC4試樣。隨后開展切削實(shí)驗(yàn)，通過(guò)精細(xì)線切割將試樣加工至50mm×40mm×40mm，并用精密夾具固定，確保切削力分布可控。

在進(jìn)行高速銑削的過(guò)程中，在系統(tǒng)中安裝了Kistler 9265B壓電傳感器用于實(shí)時(shí)測(cè)量切削力。主切削力(Ft)作為沿著銑刀運(yùn)動(dòng)軌跡的最大作用力，對(duì)整個(gè)切削過(guò)程至關(guān)重要，因此，本研究深入剖析了影響這一關(guān)鍵參數(shù)的各種因素。

1.2　實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行銑削試驗(yàn)的工藝條件如下：銑床型號(hào)為FANUC-D14MiA立式加工中心，Walter WMG40型硬質(zhì)合金刀具，銑刀直徑為20mm，刀具參數(shù)為前角12°，后角14°，螺旋角35°，銑削速度為100～800mm/min，進(jìn)給量為0.02～0.10mm/r，切削深度為0.4～1.2mm。開展單齒切削試驗(yàn)，分別比較切削速度、深度和進(jìn)給量等因素對(duì)切削力產(chǎn)生的影響。

2、參數(shù)對(duì)主切削力的影響分析

2.1　銑削方向分析

圖1是對(duì)本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的各個(gè)銑削方向采用兩種方法進(jìn)行處理所得的結(jié)果，可以看到此時(shí)的切削力發(fā)生了改變。通過(guò)試驗(yàn)研究可知，在銑削期間材料表面呈現(xiàn)各向同性特征，且沿同一路徑進(jìn)行銑削時(shí)，產(chǎn)生的主切削力超過(guò)了90N。這是由于在增材制造過(guò)程中，大部分熱量都是由激光照射引起。在激光照射下，涂層表面形成了重疊的涂層。當(dāng)光點(diǎn)繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，晶體溫度出現(xiàn)了劇烈變化。在設(shè)定溫度梯度下，合金的顯微組織也會(huì)發(fā)生很大的變化，從而使合金力學(xué)性能發(fā)生變化。

2.2　進(jìn)給量分析

圖2是在設(shè)定各個(gè)單齒進(jìn)給量下所導(dǎo)致的鈦合金主切削力變化情況，設(shè)定控制速度為400mm/min，銑削深度為0.8mm。隨著進(jìn)給速度的提高，鈦基復(fù)合材料形成了更大的主切削力。這是因?yàn)樵黾訂锡X進(jìn)給量可以使各刀刃產(chǎn)生較大切屑厚度并獲得更多未切除物料，從而使切削阻力明顯增加。由于銑刀呈現(xiàn)螺旋角結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行銑削加工的過(guò)程中，刀具多個(gè)刀刃會(huì)產(chǎn)生切出效應(yīng)。在加工過(guò)程中，隨著刀具刃口切入量增大，加工過(guò)程中產(chǎn)生了較大的主切削力。對(duì)兩種不同類型鈦基材料進(jìn)行銑削試驗(yàn)可以確定主切削力在90°銑削方向時(shí)載荷最小的性能指標(biāo)。

2.3　銑削深度分析

圖3是在設(shè)定銑削速度為200mm/min和進(jìn)給量為0.06mm/z的情況下，以不同銑削深度測(cè)試得到的主切削力數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，隨著加工深度的增加，主切向力呈直線上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著銑削深度增加，刀具需要抵抗更大的能量，此時(shí)刃口阻力也明顯增大。

2.4　銑削速度分析

圖4為不同銑削速度下的主切削力結(jié)果(銑削深度0.04mm)。當(dāng)銑削速度低于400m/min時(shí)，主切削力隨速度增大而明顯增加；超過(guò)該值后趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)提高切削速度有助于優(yōu)化鈦合金的加工性能。

3、結(jié)論

本文針對(duì)激光熔覆TC4合金高速銑削時(shí)的主切削力進(jìn)行分析，并優(yōu)化工藝參數(shù)。材料表面呈現(xiàn)同向特征，沿同一路徑銑削時(shí)主切削力超過(guò)了90N，呈現(xiàn)出顯著的切削作用力。隨著進(jìn)給速度、切削深度和切削速度的增加，銑削主切削力增加。后續(xù)需要通過(guò)表面檢測(cè)來(lái)證明優(yōu)化參數(shù)的有效性。

參考文獻(xiàn)

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[2] 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(06)：32-39.

[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(duì)比分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2023(04)：133-136.

[4] 馮亞洲，陶覓辰，劉戰(zhàn)鋒，等. 基于深度學(xué)習(xí)的TC32鈦合金B(yǎng)TA深孔鉆削容屑系數(shù)和切屑形態(tài)研究[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2024(04)：57-62.

[5] 張澤華，董志國(guó)，曹桂新，等. Ti6Al4V分離型超聲振動(dòng)微鉆削的鉆削特性仿真與試驗(yàn)研究[J]. 工具技術(shù)，2023，57(09)：64-68.

[6] 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(02)：39-42.

（注，原文標(biāo)題：TC4合金高速銑削時(shí)主切削力分析及參數(shù)優(yōu)化_程香）

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