發布日期：2025-9-29 10:16:23
引言
TC4合金材料因具有韌性高､比強度大､抗高溫氧化等優異性能，被廣泛應用于航空裝備､醫療機械和輕型交通設施等行業，尤其是在輕型精度測試設備中發揮著重要技術支持的效果 [1]｡但是激光熔覆成形合金因具備較高硬度導致機加工困難，因此開展針對難加工材料的刀具是熱點之一｡
由于鈦合金材料具備很高機械強度，從而極大提高了鈦合金加工難度 [2]｡對鈦合金進行制造加工的過程中，切削力較大，切削溫度較高，容易引起刀具振動和表面磨損，這使其加工難度加大 [3]｡根據前期文獻報道可知，國內外眾多學者已開展了鈦合金的加工特性､工藝調整以及切削力方面的系統性研究工作｡韓曉蘭等 [4] 以難加工 TC11 鈦合金為對象，開展深孔鉆削試驗，優化主軸轉速和進給量參數｡馮亞洲等 [5] 以難加工 TA15鈦合金為對象，研究機床主軸參數對切屑形態的影響，并對主參數進行優化｡
針對 TC4 合金的激光加工研究工作，國內外到目前為止還很少有文獻進行報導｡本實驗以 TC4 合金為研究對象，對其進行快速銑削試驗，并對其進行了切削特性試驗分析｡
1、實驗方案
1.1 試樣制備
鑒于激光增材技術其具有工藝柔性和可靠性高的優點，該加工方法有望在解決零件損傷修復問題的同時，研制出具有優良抗高溫能力的新型材料｡本實驗以鈦合金作為基材試樣，以 R2000iB 六軸機器人進行激光脈沖實現激光脈沖激光的能量輸出，調節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，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，在熔覆過程中一直保持氬氣通入，防止表層與空氣接觸發生氧化｡采用以上方法實現 TC4 樣品的激光熔敷｡
本實驗以 TC4 激光熔覆層作為研究對象，對其進行高速切削試驗｡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，然后調整夾具位置｡
硬質刀具銑削試驗照片如圖 1 所示，將 Kistler9265B 壓電探測儀設置在載荷測量中｡切削力方向與銑刀周向切向保持一致，此方向的功耗達到最大，會對切削加工過程產生重要影響，研究深入探討了對切削載力影響因素｡
1.2 實驗方案制定
在 FANUC-D14MiA 立式加工中心上開展銑削測試，選用的是 Walter WMG40 硬質銑刀，直徑為 20 mm, 刃數為 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，研究發現主切削力隨著進給量不斷增大而持續增大，主切削力隨著切削刃不斷增大而升高｡本文在前人基礎上和結合實際情況，確定銑削速度選取為 100~800 mm/min, 進給量選取為 0.02~0.10 mm, 銑削深度選取為 0.02~0.10 mm｡
本實驗采用單因素試驗方式，分析了切削速度､深度､進給量等因素對切削力的影響，并開展逆向銑削試驗｡
2、結果分析
2.1 銑削方向分析
如圖 2 所示給出了設定不同銑削條件下銑削 TC4 鈦合金所得的結果，由于設定了不同銑削方向，導致切削力發生改變｡試驗結果表明，激光熔覆層形成各向異性結構中，大部分的熱量是由激光產生，在基體上形成疊層結構熔覆層｡陳莉等 [7] 發現銑削加工激光熔覆鈦合金時存在各向異性，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｡隨著激光照射區域不斷前進，合金溫度也出現了很大變化｡觀察各個溫度梯度下的材料顯微組織可以發現，實際制得試樣微觀組織結構也會發生很大變化，從而使材料微觀力學特性產生顯著變化｡
2.2 進給量分析
如圖 3 所示，是在設定各個單齒輪進給速率下對應的鈦合金主削作用力測試數據，其中，銑削速度被設定在 400 mm/min, 銑削深度值 0.8 mm｡隨著進給量的提高，激光熔覆合金的切削力發生了不斷增加的變化過程｡這是因為增加進給量后可以使刀刃產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的表面結構，在銑削加工過程中，多個刀刃會產生切出效應｡在加工過程中，隨著刀具刃口的增加產生了較大切削力｡對兩種不同類型的鈦基材料進行銑削試驗，可以得到切削力符合 90° 銑削載荷最低的狀態 [8]｡
2.3 銑削深度分析
如圖 4 所示顯示了在設定銑削速度為 200 mm/min 以及進給量為 0.06 mm 的條件下各銑削深度對應的切削力｡研究表明，隨著銑削深度的增加，切削力呈直線上升的趨勢｡這主要是因為隨著銑削深度增大后，工件組織的去除過程會消耗更多能量，而刃口受到的阻力也更大｡
2.4 銑削速度分析
如圖 5 所示是當進給量為 0.04 mm 和銑削深度為 0.4 mm 的狀態下，設定各銑削速率下獲得的 TC4 主削削力｡研究發現，在 100~400 m/min 的范圍內，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｡由本實驗數據的分析結果可以看出，提高切割速度有利于提高鈦合金獲得更優機械加工效果｡
3、結論
本文開展激光熔覆合金硬質刀具銑削工藝下切削力分析，取得如下有益結果:
1) 激光熔覆層形成各向異性結構中，大部分的熱量是由激光產生，基體上形成疊層結構熔覆層｡
2) 隨著進給量的提高，多個刀刃會產生切出效應，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，有利于提高合金機械加工效果｡
參考文獻
[1] 李云義，李樹健，李鵬南，等.CFRP/TC4 疊層結構鉆削仿真與實驗研究 [J]. 宇航材料工藝，2023,53 (6):32-39. (下轉第 93 頁)
[2] 賈宗強，白海清，張鑫何，等.TC4 鈦合金材料鉆削仿真與參數優化 [J]. 兵器裝備工程學報，2023,44 (10):94-105.
[3] 梁桂強，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]. 組合機床與自動化加工技術，2023 (4):133-136.
[4] 韓曉蘭，張旭康，劉戰鋒，等.TC11 鈦合金深孔鉆削試驗研究與切屑形態分析 [J]. 工具技術，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研究 [J]. 制造技術與機床，2022 (2):39-42.
[6] 盧銀菊。硬質合金刀具銑削參數對激光熔覆 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。硬質合金刀具銑削參數對激光熔覆 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，張臣，方軍，等。振動輔助鉆削對 CFRP/ 鈦合金疊層結構孔徑階差影響規律實驗研究 [J]. 宇航材料工藝，2022,52 (3):88-93.
（注，原文標題：激光熔覆合金硬質刀具銑削工藝下切削力分析）