1、引言

TC4鈦材料具有比重小、強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)，屬于難加工材料。普遍使用硬質(zhì)合金刀具加工TC4鈦合金，其刀具材料和質(zhì)量十分關(guān)鍵。

然而，要生產(chǎn)出高品質(zhì)的零件，除擁有精密超精密級(jí)機(jī)床和測(cè)量工具外，高質(zhì)量刀具也是十分重要的環(huán)節(jié)[1]，提升刀具質(zhì)量和性能的重要手段之一是刀具刃口鈍化技術(shù)[2]。刀具刃口鈍化技術(shù)能夠消除刀具在刃磨后產(chǎn)生的微觀缺陷（如豁牙、鋸齒和裂紋等），對(duì)于提升刀具壽命、提高加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本有著顯著作用[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)刀具鈍化技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。ＷｙｅｎＣ.Ｆ.等[4]采用硬質(zhì)合金刀具對(duì)鈦合金進(jìn)行切削，研究了刃口半徑對(duì)切削力和摩擦系數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，切削力和摩擦系數(shù)隨著刃口半徑的增加而增加。?ZｅｌＴ.等[5]采用CBN刀具對(duì)ＡＩＳＩＨ13鉻鉬釩熱作工具鋼進(jìn)行切削，通過數(shù)值模擬研究了刀具鈍化對(duì)切削力的影響，發(fā)現(xiàn)工件表面硬度越低，刃口半徑越小，所產(chǎn)生的切向力和徑向力越小。ＶａｒｅｌａＰ.Ｉ.等[6]研究了刀具刃口幾何形狀與粗糙度、殘余應(yīng)力的關(guān)系，驗(yàn)證了刀具刃口鈍化后工件的表面完整性有所提高的結(jié)論，試驗(yàn)結(jié)果表明，在平面刃、圓弧刃、平面刃—圓弧刃幾種刃口幾何形狀中，平面刃—圓弧刃的表面粗糙度、殘余應(yīng)力更大。

張高峰等[7]采用涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)GH4169高溫合金進(jìn)行切削試驗(yàn)，研究了鈍化半徑對(duì)表面粗糙度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同進(jìn)給量下，隨著鈍化半徑的增加，表面粗糙度先增加后降低。彭凌洲等[8]采用金剛石盤刷鈍化的PCB刀具對(duì)鈦合金進(jìn)行銑削試驗(yàn)，結(jié)果表明，鈍化后的刀具壽命和表面粗糙度均高于未鈍化刀具，刀具壽命隨著鈍化值的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，鈦合金表面粗糙度隨著鈍化值的增加而增大。邵光鵬等[9]采用鈍化后的刀具對(duì)GH4169合金進(jìn)行銑削試驗(yàn)，結(jié)果表明，切削深度的取值范圍為0.5～4倍的刃口半徑，當(dāng)切削深度為2倍刃口半徑時(shí)，表面粗糙度更低。

可以看出，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)刃口鈍圓半徑對(duì)工件的切削性能進(jìn)行了研究，但刀具鈍化方式對(duì)刀具刃口半徑的影響研究還很少。而根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，鈍化方法對(duì)刀具刃口半徑的影響非常重要。本文采用旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化方式針對(duì)鈍化方式中的柔性鈍化方法研究，并對(duì)立式旋轉(zhuǎn)鈍化方法做出改進(jìn)，鈍化過程中令磨粒被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，磨粒和刀具刃口產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)使磨粒和刀具更均勻地接觸，從而更好地鈍化刀具；同時(shí)針對(duì)刀具材料，改變鈍化磨粒，配置更有效的鈍化刀具磨粒。采用不同鈍化方式的刀具對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行側(cè)銑削試驗(yàn)，分析刀具鈍化方式對(duì)切削力、切削溫度以及表面形貌的銑削性能影響。

試驗(yàn)結(jié)果為合理選擇刀具刃口鈍化方法、提高TC4鈦合金銑削性能提供了依據(jù)。

2、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1　刃口鈍化方法

立式旋轉(zhuǎn)鈍化方法如圖1所示。立式旋轉(zhuǎn)鈍化機(jī)由主軸Z1帶動(dòng)從動(dòng)軸Z2轉(zhuǎn)動(dòng)，兩軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。鈍化刀具與Z2軸相連接，與Z2軸進(jìn)行同方向、同轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)。鈍化刀具的切削刃完全沒入下方磨粒中，由刀具的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)下方磨粒運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使磨粒對(duì)刀具刃口進(jìn)行沖擊，達(dá)到修整刃口形貌的作用。立式旋轉(zhuǎn)鈍化磨粒主要為核桃殼等。

旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化方法的銑刀旋轉(zhuǎn)方式與立式旋轉(zhuǎn)鈍化方法相同，但使用的磨粒類型不同，立式旋轉(zhuǎn)鈍化磨粒是一種硬性磨粒，而旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化磨粒是一種柔性磨粒。該柔性磨粒是由多羥基聚合物、去離子水和磨粒等材料按比例混合的新磨粒。在旋轉(zhuǎn)磨粒流制備過程中，使用超聲振動(dòng)和機(jī)械攪拌的方法促進(jìn)多羥基聚合物和磨粒的均勻分散。

2.2　試驗(yàn)方案

試驗(yàn)工件材料為TC4鈦合金，尺寸150mm×150mm×50mm，化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)刀具為鎢鈷類硬質(zhì)合金立銑刀，按照不同鈍化方式分為未鈍化刀具、立式旋轉(zhuǎn)鈍化刀具和旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具，刀具其余參數(shù)一致，其幾何參數(shù)見表2。

試驗(yàn)刀具由瓦爾特ＨＥＬＩＴＲＯＮＩＣＰＯＷＥＲ數(shù)控工具磨床磨削制備。立式旋轉(zhuǎn)鈍化法所用設(shè)備為ＹＨ04刀具鈍化機(jī)；旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化法所用設(shè)備為專用鈍化設(shè)備，其鈍化原理與立式旋轉(zhuǎn)鈍化方法相同。銑削試驗(yàn)設(shè)備為ＶＭＣ850Ｂ立式數(shù)控加工中心，銑削方式為側(cè)銑，干切削；用Ｋｉｓｔｌｅｒ9257Ｂ三向壓電陶瓷測(cè)力儀采集切削力，通過ＤｙｎｏＷａｒｅ軟件進(jìn)行分析；由ＦＬＩＲ紅外熱像儀測(cè)量切削溫度；用ＳｅｎｓｏｆａｒＳＮｅｏｘ光學(xué)三維輪廓儀觀測(cè)TC4鈦合金表面形貌和表面粗糙度。

用單因素試驗(yàn)法研究不同鈍化方式刀具對(duì)TC4鈦合金銑削切削性能的影響。切削參數(shù)：切削速度90ｍ/min，進(jìn)給速度200mm/min，切削寬度1.05mm， 切削深度5mm。使用未鈍化、立式旋轉(zhuǎn)鈍化和旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化方法所鈍化的三把刀具對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行側(cè)銑削，切削長(zhǎng)度150mm。試驗(yàn)方案見圖2。

3、結(jié)果與討論

3.1　切削力

切削力影響切削熱的產(chǎn)生、刀具的磨損和切屑的形成，決定了切削過程消耗功率的大小和切削加工系統(tǒng)的變形，研究切削力及切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律有助于對(duì)切削過程進(jìn)行分析和研究[10]。

由于本次試驗(yàn)為側(cè)銑削，因此對(duì)進(jìn)給力Ｆｙ進(jìn)行研究。圖3為不同鈍化方式刀具在TC4鈦合金切削過程中隨切削距離的切削力變化。

由于刀具刃口部分很小，隨著切削距離的增大，刀具刃口存在一定的磨損，為確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，取切削距離分別為10～50mm，50～90mm和90～130mm三段進(jìn)行平均切削力分析。由柱狀圖可以看到，在整個(gè)切削過程中，未鈍化刀具的平均切削力始終大于鈍化后的刀具，而旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具的平均切削力最小。三把刀具在整個(gè)切削過程中的平均切削力分別為82.76Ｎ，60.41Ｎ，53.24Ｎ，相比未鈍化刀具，立式旋轉(zhuǎn)鈍化刀具切削力下降27.01％，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具切削力下降35.67％。說明刀具刃口鈍化對(duì)降低切削力有顯著影響，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化方式降低切削力效果更好。

隨著切削距離增加，三種鈍化方式的切削力均呈增大趨勢(shì)，未鈍化刀具的切削力增大趨勢(shì)明顯高于立式旋轉(zhuǎn)鈍化刀具和旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具。這是由于刀具鈍化后在刃口處形成較小的圓弧，消除了刃口微小缺口，刃口半徑在加工時(shí)對(duì)工件表面起到修整與拋光的作用[9]。對(duì)于兩種鈍化方式的刀具，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具的切削力增大趨勢(shì)低于立式旋轉(zhuǎn)鈍化方式。其原因是旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化采用柔性鈍化方式，在鈍化過程中，刀具可以產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，從而使磨粒更好地接觸到刀具刃口，對(duì)其微小缺陷產(chǎn)生更好的去除作用。這說明鈍化后的刀具能夠降低銑削過程中的切削力，同時(shí)旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化方法制備的刃口優(yōu)于立式旋轉(zhuǎn)鈍化方法。

3.2　切削溫度

銑削過程中的切削熱對(duì)刀具的壽命、加工精度以及表面質(zhì)量等有很大影響[11]。鈦合金材料熱導(dǎo)率小，材料自身散熱能力差，并且在切削過程中切屑與前刀面的接觸區(qū)緊靠切削刃，很難散熱，因此容易產(chǎn)生較高的切削溫度[12]。本次試驗(yàn)采用ＦＬＩＲＴ630ｓｃ紅外熱成像儀測(cè)量銑削過程中的工件表面溫度。圖4為不同鈍化方式的刀具在TC4鈦合金側(cè)銑削過程中切削溫度的變化。

由圖4可以得到，刀具在切削鈦合金的過程中，0～10ｓ時(shí)，刀具剛切入鈦合金，此時(shí)溫度迅速升高；10～45ｓ時(shí)，進(jìn)入穩(wěn)定切削階段，刀具與鈦合金接觸平穩(wěn)，各個(gè)刀具的切削溫度均在小范圍內(nèi)波動(dòng)；45ｓ之后加工結(jié)束，鈦合金溫度迅速下降。取平穩(wěn)加工過程的溫度可以看到，切削溫度從高到低分別為未鈍化刀具＞立式旋轉(zhuǎn)鈍化刀具＞旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具。在平穩(wěn)切削階段取各組平均溫度，未鈍化刀具為196.64℃，立式旋轉(zhuǎn)鈍化刀具為174.59℃，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具為151.65℃。相較于未鈍化刀具，立式旋轉(zhuǎn)鈍化方法的溫度降低了11.21％，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化方法的溫度降低了22.88％，這與本試驗(yàn)中切削力的變化規(guī)律相同。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是切削溫度的主要來源是克服切削力所消耗的能量，其中的大部分能量消耗被轉(zhuǎn)化為切削熱，導(dǎo)致切削溫度升高[13]。同時(shí)，刀具鈍化會(huì)導(dǎo)致刃口更加圓滑，使刃口半徑增大，而刀具在實(shí)際切削時(shí)，前角對(duì)刀具的切削溫度影響很大，所以刀具的溫度在一定半徑范圍內(nèi)會(huì)隨著刃口的增大而減小[11]。旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具加工時(shí)的溫度低于立式旋轉(zhuǎn)鈍化刀具，這是因?yàn)樵诹⑹叫D(zhuǎn)鈍化過程中磨粒無法自轉(zhuǎn)，鈍化方式主要依靠刀具旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)磨粒進(jìn)行鈍化，而且磨粒相較于旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化的磨粒更硬，導(dǎo)致立式旋轉(zhuǎn)鈍化后的刀具刃口表面特別光滑，刃口處微小缺陷未去除完全。

3.3　表面粗糙度

表面粗糙度是銑削過程中刀具對(duì)被加工工件的材料去除作用所形成，也是衡量刀具切削性能的重要指標(biāo)，與刀具狀況直接相關(guān)[13]。圖5為不同鈍化方式刀具銑削鈦合金的表面形貌及表面粗糙度。

由圖5左側(cè)表面形貌可以看出，在鈦合金表面存在明顯的臺(tái)階狀加工紋理，這是刀具切削加工中刀具與工件表面接觸導(dǎo)致的表面形貌。與圖5ａ相比，圖5ｂ和圖5ｃ的加工紋理更均勻，形貌更好。這是因?yàn)槲粹g化刀具刃口更為鋒利，在切削加工中更易產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致刃口變大，而鈍化后的刀具表現(xiàn)出更穩(wěn)定的切削性能，能有效減少切削刃的磨損，提高刀具表面的完整性，進(jìn)而提高加工表面的質(zhì)量[14]。

在三種切削條件下，對(duì)同一切削距離處（Ａ?Ａ′）的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。從圖5右側(cè)輪廓曲線可以看到，表面粗糙度的大小依次為未鈍化刀具＞立式旋轉(zhuǎn)鈍化刀具＞旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具，這說明鈍化刀具的刃口質(zhì)量要優(yōu)于未鈍化刀具。其中，立式旋轉(zhuǎn)鈍化刀具所加工的表面粗糙度相較于未鈍化刀具的加工表面降低21.03％，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具則降低了31.01％，表明旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化后的刀具去除了刃口的微觀缺陷，同時(shí)保證了刀具的鋒利程度，提升了刃口強(qiáng)度，因此旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化后的刀具所加工的工件表面質(zhì)量更好。

同時(shí)，從波峰波谷的波動(dòng)幅值可得，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具所加工表面的波動(dòng)變化更為均勻，而且表面粗糙度最好；立式旋轉(zhuǎn)鈍化方式刀具所加工的工件表面粗糙度低于未鈍化刀具所加工的工件表面表面粗糙度，但其加工表面部分區(qū)域的波峰和波谷高度波動(dòng)更為明顯，其原因是鈍化導(dǎo)致刃口半徑增大，而立式旋轉(zhuǎn)鈍化方式不如旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化方式均勻，導(dǎo)致部分刃口處缺陷較大，進(jìn)而使加工工件表面部分區(qū)域產(chǎn)生較大高度差。

4、結(jié)語

采用單因素試驗(yàn)法對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行側(cè)銑削試驗(yàn)，研究三種不同鈍化方式刀具對(duì)切削力、切削溫度和表面粗糙度的銑削性能影響，得到以下結(jié)論。

（1）刀具刃口鈍化技術(shù)可以降低切削加工過程中的切削力和切削溫度。相比未鈍化刀具的切削力，立式旋轉(zhuǎn)鈍化刀具切削力下降27.01％，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具切削力下降35.67％。相比未鈍化刀具的切削溫度，立式旋轉(zhuǎn)鈍化的溫度降低了11.21％，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化的溫度降低了22.88％。

（2）刀具刃口鈍化技術(shù)可以提高加工表面質(zhì)量。立式旋轉(zhuǎn)鈍化刀具所加工的表面粗糙度相較于未鈍化刀具的加工表面降低21.03％，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化刀具則降低31.01％。

（3）相較于立式旋轉(zhuǎn)鈍化方式，旋轉(zhuǎn)磨粒流鈍化方式所鈍化的刀具能夠更有效地降低切削力和切削溫度，并去除刀具刃口處微小缺陷，提高刀具刃口均勻性和加工表面質(zhì)量。

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第一作者／通信作者：王奔，博士，教授，沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，110136沈陽市

ＦｉｒｓｔＡｕｔｈｏｒ／ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒ：ＷａｎｇＢｅｎ，Ｐｈ.Ｄ.，Ｐｒｏ?ｆｅｓｓｏｒ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙ?ａｎｇＡｅｒｏｓｐａｃｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ110136，Ｃｈｉｎａ

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