TC11钛合金插铣参数对表面温度影响研究

　　钛合金由于具有密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀性的特点,在航空航天领域获得越来越广泛的应用。但是其加工过程切削温度高、单位面积上的切削力大、冷硬现象严重、刀具易磨损,对加工精度和质量不利,影响到钛合金构件的使用性能。TC11钛合金是一种Ti-Al-Mo-Zr-Si系马氏体型α+β两相钛合金,具有抗拉强度和屈服强度高、疲劳强度大、弹性模量小、密度小、非磁性、热膨胀系数低、热导率低、容易烧结、对环境污染小等特点,且可在500℃以上长期使用,可用于制造压气机盘、叶片、环形件和紧固件等。

　　目前国内外对钛合金切削加工进行了积极的研究,这些研究主要集中在钛合金精密加工过程切削力、切削温度[1, 2]以及加工试件的表面完整性[3~6]等方面。由于钛合金广泛应用于航空发动机整体结构件,围绕其加工效率的提高,西北工业大学提出了高效的整体构件粗加工插铣工艺,该工艺和传统的侧铣粗加工工艺相比,可大大提高切削效率[7~9]。但还没掌握TC11插铣加工过程中的温度变化规律,使得插铣粗加工工艺参数的选择有很大的经验性。

　　笔者针对TC11钛合金插铣铣削开展温度测试实验,研究插铣铣削参数对试件表面温度的影响规律,为插铣铣削参数的选择与优化提供参考。

　　1　插铣铣削工艺与测温原理

　　1·1　插铣铣削工艺

　　插铣法又称为z轴铣削法,在插铣加工过程中刀具沿刀轴方向做进给运动,利用底部切削刃进行钻、铣组合切削,其工艺原理如图1所示,其中ap为铣削深度, ae为铣削宽度。与侧铣相比,插铣加工轴向切削力Fz较大,径向抗力Fy和切向力Fx较小。这恰好可以利用刀具受力各向异性的特点,使刀具承受较大轴向力[10]。

　　插铣加工切削力相对稳定,刀具振动小,对难加工材料的大余量去除以及刀具悬伸长度较大时的加工情况,插铣加工可采用较大的进给量。因此,采用插铣开槽工艺进行整体结构的通道开槽是提高其切削效率的一种有效途径。

　　1·2　铣削温度测试原理

　　笔者利用红外成像仪进行切削温度测试。通过红外测温方法获得试件表面温度变化,并非切削区实际温度。基于实测温度,可计算出铣削作用区的实际温度,即

　　由著名的斯蒂芬·玻尔兹曼定律,E与辐射单元绝对温度T的4次方成比例,即

　　2　插铣测温实验及数据处理

　　2·1　温度测试实验

　　为了得到铣削温度与铣削深度ap、铣削速度v、每齿进给量fz的关系,对TC11钛合金插铣加工进行三因素四水平正交实验,实验方案如表1所示。

　　实验在VMC-850加工中心上进行,冷却方式为水冷,所用刀具为SECO硬质合金插铣刀具,直径为20 mm,刀片型号为XOMX090308TR-M08。实验中铣削温度采用AVIO TVS-MKII红外成像仪测量,测温方案如图2所示。