TC4钛合金高速铣削加工切削参数及走刀路径优化
钛合金TC4铣削试验研究
钛合金TC4铣削试验研究【摘要】：本文通过对TC4钛合金锻件进行单因素铣削实验，得出其切屑形态随着铣削深度a的增大将由紧密螺旋状逐渐变为松散状的结论。
通过铣削率模型，找到了在特定铣削速度和进给速度下，铣削钛合金的最佳深度范围，对于钛合金铣削加工具有生产指导意义。
【关键词】：钛合金；切屑形态；铣削深度；铣削体积；铣削时间；铣削率引言钛合金具有质量轻、强度高、高温性能好、耐腐蚀等许多优点.在航空航天、船舶和化工等工业部门得到广泛的应用[1]。
但由于钛合金导热系数低、摩擦因数大、弹性模量小、化学活性大、切屑与前刀面的接触面积小，使得钛合金切削加工性较差[2]。
目前TC4应用比较广泛，是以α相为主的双相合金，β相一般少于30%，其综合性能好，组织稳定，有良好的韧性、塑性和高温变形性能。
但是，在高速条件的切削力、切削温度以及刀具磨损机理等方面还有很多现象解释不清，对工件的表面质量的影响方面等问题，针对这些问题国内外学者做过很多研究。
Narutaki对钛合金TC4的切削力和切削温度进行研究得到：切削钛合金时刀具磨损并非切削力所致，而切削温度是致使钛合金难以继续切削的主要原因。
F. Klocke，N等人在分析和实验的基础上，对涂层硬质合金刀具铣削TC4的效率进行了评价，用有限元的方法对切削时的应力-应变曲线进行分析。
1试验材料及过程1.1.试验材料试验材料为TC4钛合金锻件，尺寸为290mm×192 mm×65mm，其化学成分见表1。
表1 TC4钛合金的化学成分%合金牌号成分抗拉强度σb/MPa伸长率δ/% 冲击韧性ak/104J·m-2 硬度HB 弹性模量E/106MPa 导热系/W·（m·K）-1TC4 TC4 903 10 39.24 320-360 0.111 5.441.2.试验条件与过程为研究铣削时钛合金的切屑形态与铣削深度的关系，并确定在特定铣削速度和进给速度条件下的最佳铣削深度范围，应用单因素试验方法，设计了采用25HSS的莫氏锥柄立铣刀在X5032立式升降台铣床上对试件连续铣出台阶面的实验。
AlTiN涂层刀具精铣TC4钛合金工艺参数的影响与优化
XZSH^TechnotogyandMan^________________________________________________________2021年第1期AITiN涂层刀具精铳TC4钛合金工艺参数的影响与优化王胜①周明妥①魏小华①余文利①②郑丽文®®(①衢州职业技术学院机电工程学院，浙江衢州324000；②浙江大学机械工程学院，浙江杭州310027)摘要:采用AITiN涂层4刃010nun硬质合金立铳刀，在VMC850立式加工中心上对TC4钛合金进行铳削精加工试验。
利用高精密数字化检测设备，对加工成形的TC4钛合金试件表面粗糙度、平面度、平行度、表面形貌、残余应力及显微硬度测量。
分析AITiN涂层刀具在设定不同工艺参数条件下TC4钛合金的整体加工质量和表面形貌变化规律。
结果表明:在主轴转速"=8000r/min、每齿进给量£=0.04mm/z、切削深度AJ=0.5mm的最优精铳工艺参数下,TC4钛合金工件的加工质量和表面形貌好，刀具寿命长，其平面度为0.39Jim,平行度为0.33jun,表面粗糙度为0.70呻,表面残余应力为-175MPa,表面显微硬度为269HV。
,实现了TC4钛合金的高质量高效率的精铳加工。
关键词：TC4钛合金；AITiN刀具；加工精度;表面形貌;残余应力;显微硬度中图分类号:G71,TG547,TQ163文献标识码:ADOI：10.19287/ki.1005-2402.2021.01.012Influence and optimization of technological parameters in highspeed milling TC4titanium alloy with AITiN coated cutterWANG Sheng®,ZHOU Mingan®,WEI Xiaohua®,YU Wenli®®,ZHENG Liwen®®(①The Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Quzhou College of Technology,Quzhou324000,CHN；②School of Mechanical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou310027,CHN)Abstract:Using AITiN coated4-edge</>10mm carbide end milling cutter,the milling finishing experiment of TC4 titanium alloy was carried out on VMC850vertical machining center.The surface roughness,flatness,parallelism,surface morphology,residual stress and microhardness of the machined TC4titanium alloyspecimen were measured by using high precision digital testing equipment.T he overall machining qualityand surface morphology of TC4titanium alloy with AITiN coated tool under difierent process parameterswere analyzed.The results show that under the optimal finishing process parameters of spindle speed n=8000i/min,feed per tooth£=0.04mm/z,and cutting depth=0.5mm,TC4titanium alloy workpiece has good machining quality and surface morphology,long tool life,flatness of0.39|xm,parallelismof0.33|xm,surface roughness of0.70|xm,surface residual stress of-175MPa,and surface microhardness of269HV02,thus realizing high-quality and high-efficiency finishing of TC4titanium alloy.Keywords:TC4titanium alloy；AITiN tool；machining accuracy；surface topography；residual stress；microhardnessTC4钛合金具有优良的耐腐蚀性能,其拥有密度小、强度高、韧性强的优良性能，被广泛用于高端精密及航空航天等较为重要的零部件上⑴。
《钛合金TC4高速切削加工性试验研究》
《钛合金TC4高速切削加工性试验研究》一、引言随着现代工业的快速发展，钛合金因其优良的力学性能和耐腐蚀性能，在航空、航天、医疗及汽车制造等领域得到广泛应用。
其中，钛合金TC4因其优异的综合性能而备受关注。
然而，由于钛合金的高硬度和低导热性等特点，其切削加工过程往往面临诸多挑战。
因此，对钛合金TC4的高速切削加工性进行试验研究，对于提高其加工效率、降低生产成本具有重要意义。
二、试验材料与方法1. 试验材料本试验选用钛合金TC4作为研究对象，其具有优良的力学性能和良好的加工性能。
试验中使用的切削工具为硬质合金刀具。
2. 试验方法（1）切削参数设计：根据实际生产需求，设计不同的切削速度、进给量和切削深度，进行多组切削试验。
（2）切削过程：采用高速切削机床进行切削加工，记录各组试验的切削力、切削温度等数据。
（3）切削质量评价：对加工后的工件进行表面质量、尺寸精度和形位公差等指标的评价。
三、试验结果与分析1. 切削力分析试验结果表明，随着切削速度的增加，切削力呈现先减小后增大的趋势。
在一定的切削速度范围内，切削力的减小有利于降低切削过程中的热量产生，从而降低切削温度。
然而，过高的切削速度可能导致切削力的增大，增加切削过程中的振动和工件表面损伤。
2. 切削温度分析切削温度是评价高速切削加工性能的重要指标。
试验发现，切削温度随着切削速度的增加而升高。
在一定的进给量和切削深度下，合理的选择切削速度对于控制切削温度、提高工件表面质量具有重要意义。
3. 表面质量与尺寸精度通过对加工后的工件进行表面质量、尺寸精度和形位公差等指标的评价，发现合理的切削参数组合能够获得较好的工件表面质量和尺寸精度。
同时，采用合理的刀具和切削液能够进一步降低工件表面粗糙度，提高形位公差。
四、结论通过对钛合金TC4的高速切削加工性试验研究，得出以下结论：1. 合理的切削参数组合能够降低切削力、切削温度和工件表面粗糙度，提高工件表面质量和尺寸精度。
《钛合金TC4高速切削加工性试验研究》
《钛合金TC4高速切削加工性试验研究》摘要：本文通过对钛合金TC4材料的高速切削加工性进行实验研究，分析了不同切削参数对切削力、切削温度以及表面质量的影响，并探讨了其加工性能的优化策略。
通过实验数据及结果分析，为钛合金TC4的高速切削加工提供理论依据和实际指导。
一、引言钛合金因其优良的力学性能和耐腐蚀性能，在航空、航天、医疗及汽车制造等领域得到广泛应用。
TC4作为钛合金中的一种，其切削加工性能的研究对于提高产品质量、降低生产成本具有重要意义。
本文旨在通过高速切削加工性试验，探究TC4的切削行为及优化加工参数。
二、材料与实验方法1. 材料选择：选用钛合金TC4作为研究对象，其具有较高的强度和良好的塑性。
2. 实验设备：采用高速数控铣床进行切削实验，配备高精度测力仪和热像仪以监测切削力和切削温度。
3. 实验方法：设计不同切削速度、进给量和切削深度的组合，进行正交切削实验。
记录切削力、切削温度以及工件表面质量等数据。
三、实验结果与分析1. 切削力分析：随着切削速度的增加，切削力呈现先减小后增大的趋势；进给量的增加会导致切削力的增大；而切削深度的增加对切削力的影响相对较小。
2. 切削温度分析：切削温度随切削速度的增加而升高，进给量和切削深度对切削温度也有影响，但影响程度较小。
3. 表面质量分析：合适的切削参数能获得较好的表面质量，表面粗糙度随切削速度的增加先降低后增加，而进给量和切削深度对表面粗糙度的影响较大。
四、优化策略与讨论1. 优化切削参数：根据实验结果，可得出最优的切削参数组合，以降低切削力和切削温度，提高工件表面质量。
2. 刀具选择与维护：选用合适的刀具材料和涂层，保持刀具的锋利度，可有效提高切削效率和工件质量。
3. 工艺路线优化：通过合理安排工艺流程，如预处理、热处理等，可改善TC4的加工性能。
4. 考虑工艺参数的交互作用：在实际生产中，应综合考虑各工艺参数的交互作用，以获得最佳的加工效果。
钛合金零件切削用量与刀具参数的选择-中华工具网
钛合金零件切削用量与刀具参数的选择-中华工具网钛合金零件切削用量与刀具参数的选择- 中华工具网钛合金零件切削用量与刀具参数的选择主要加工方法钛合金零件的加工余量比较大，有的部位很薄(2～3mm)，主要配合表面的尺寸精度、形位公差又较严，因此每项结构件都必须按粗加工→半精加工→精加工的顺序分阶段安排工序。
主要表面分阶段反复加工，减少表面残余应力，防止变形，最后达到设计图的要求。
其主要的加工方法有铣削、车削、磨削、钻削、铰削、攻丝等。
铣削用量及刀具的选择钛合金结构件中大量应用铣削加工，如零件内外型面。
刀具应选择具有高硬度、高抗弯强度和韧性、耐磨性好、热硬性好、工艺性好、散热性好的材料，主要为高速钢W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo5(M42)和硬质合金YG8、K3O、Y330。
刀具几何参数应以保证刀具强度高、刚性好、锋利为原则，细长比不能过大，并分粗、精加工两种，加工时最好采用顺铣。
铣削刀具参数见表1，常规加工铣削用量见表2。
铣削时必须注入充足的水溶性油质切削液来降低刀具和工件的温度，切削液流量应不小于5L/min，以延长刀具的使用寿命。
在上述常规加工的基础上，为进一步提高铣削加工效率，我们在强力铣加工中心机床上进行了高效铣削试验，获得了较理想的切削用量、刀具和切削液，铣削用量数据见表3。
通过高效铣削与常规对比可以看出，高效铣削加工比常规加工效率提高了2～4倍，零件表面质量也得到较大的提高，加工周期大大缩短，制造成本相应降低。
车削用量及刀具的选择在刀具、切削用量、切削液选择合理的情况下，钛合金车削并不困难，与加工合金钢接近。
但车削钛合金表面氧化皮较为困难，一般在加工前用酸洗方法去掉表面薄层氧化皮，然后车削剩余的氧化皮，车削时切削深度应超过氧化皮深度1～5倍，走刀量可加大，但切削速度应降低。
刀具材料应选择YG类硬质合金材料。
刀具几何参数选择：前角g0=4°～8°，后角a0=12°～18°，主偏角Ø45°～75°，刃倾角l=0°，刀尖圆弧半径r=0.5～1.5mm。
TC4钛合金高速铣削加工切削参数及走刀路径优化
TC4 钛合金高速铳削加工切削参数及走刀路径优化时TC4鬲速聽耦加工的切刖力以矗表面用筋度诜行研究,其最终冃的都是为了在穂定切削条件卜.寞现髙速铳刖加工切刑擄数的优4匕耀小切削力，从而械小加丁喪略提高加T.表面质址「进而提高TC4tt合金薄壁摧架宰件的住产效率，本章基于高速铳削加工试躺■提出了1C4检合金鼎速铳削如L切削掺数的选择原则’采用粒了腊法对齊逵铁削加工TC4fc**的切削参数进荷了优化•对高速帙削抑工过程中知何选择走刀方式进行探讨.利用ANSYS软件预测鞠瓏框架的受力变形”4J TC4钛合金崙逮抚削加工切削参数的选择4JJ 切削逑度的选择理论上切削連度提高到一定程鷹会使切削溫席降低*但是实验证明，切削TC4钛合金时.过高的刖削速度会导致门卅过热r刀刃粘辭*同HL匾度持喷升高会导致钛告金工件衷画尺开裂或氧化”甚至会随切削层度的増加而一直槌贏到怫.邸删.阖此.对T<4 覆舍金进订高遼铳创加工时・切削連度不宜过高.很据高進切削H1工实验结果*用丈切削菖度不宜超过4Wm/m:n u4J2 径向切探的述择为避免刀尖在礎化展内切削*减小丿〕具带拟’可以遴用较大的切滦阿匚但由于钛合金宸含为好.较大的切课容畠在加工过程中产生粘JT烧刀、斯刀现彖.園此，对TC4钱合金进和高速立铳加工时.卷向切深不宜过大.根据高速切削加工实验结舉，ft 大径向切探不胃超过昇具直铉的1/J.4JJ进^swaff在ttftJJtllT的切削宴繁中迓给量对刀具的那」用厦夥响较小. 锻悄况下，利用立觇刀加工诙合金时，鮒托进绘联迎定在0丄心耐历殖序内n进绘董太大・导致切削駁大『影响刀具寿侖.每转进给童最好不要小r(W5inm仏进给量太小*则会使刀刃在锁化层内切削•［同捋减中刀具的便用寿命.尤其是在高遽切削时*懂就的钛含金炖屑容易在禹温洁况F燃烧熔化脂凝结在已加工表面.爭响加工质虽。
根据高速讷削恻匸妾验第果，每转进© KHd s T' 0,1mm/r»嚴大不宜翅过O.Smm/r.4」川其他鑒数的设置钛含金表哪谨就怎釣(Mmm,切別TC4越合金的桁加工余JR不能小干O.lmniP否则刀刃会在硬化层上进行切削，邀成刀具严取厮损。
钛合金TC4深孔钴削切削用量的试验研究
概而论 ， 研 究 材 料 的特 性 （ 括 材 料 的力 学 性 应 包
能、 切削 加工性 等 ） 选择 相 应 的 刀片 材 料 。针对 钛 ， 合金 的切 削特性 ， 对刀具 材料本 身 的要求 ， 及 现选用
Ｙ 作 为刀 齿材料 。 Ｇ８ ２ ２ 刀 具结构 和几 何参数 ． 刀具 的结 构和 几何角 度Ｌ 如 图 １ 示 。 ５ 所
（ ｐ ｔ ｅ ｔｏｆＭ ｅ ｈａ ｃ ｌＥｎ ｎ ｅ ｉ ｇ，Ｘｉ ｎ Ｓ ｙｏｕ Ｕ ｎ ｖ ｒ ｉｙ，Ｘｉ ｎ ７ ００ Ｄｅ ａｒｍ ｎ ｃ ｎｉａ ｇｉｅ ｒｎ ＇ ｈｉ ｉ ｅ ｓｔ ａ １ ６５，Ｃｈｉ ） ａ ｎａ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｓ ｕ ｙ ｏ ｕ ｔ ｇ ｐ ｏ ｅ ｔｅ ｆ ｉａ ｉ ｍ ｌ ｙ，ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｔ ｅ ｔ ｒ ｓ ｏ ｉ ｉｕｔ ｔ ｃ ｉ ｓｒ ｃ ： ｓ ｄ ｏ ｈ ｔ ｄ ｆ ｔｉ ｒ ｐ ｒｉｓ ｏ ｔ ｎｕ ａ ｌ ｃ ｎ ｔ ｏ ｎ ｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｉｓ ｆａ ｕ ｅ ｆｄ ｆ ｃ ｌ ｏ ｍａ ｈ — ｆ
点 。 本 次 试 验 中 取 主 轴 转 速 为 ２ ０ ｒｍｉ 、 ３ ／ ９ ／ ｎ ２ ０ ｒ ｍｉ、 ９ ／ ｎ进 行 优 化 ； 削 用 量 为 ０ ０ ｎ １ ０ｒｍｉ 切 ． ５ｍｍ／ 、 ｒ
或 ＹＴ５ 硬质合 金刀 片 ； 类 而外齿和 中间齿 由于切 削
速度较 中心齿 高（ 尤其 是外 齿） 应 选用 硬度好 、 ， 耐磨
［］阮秋琦．数字 图像处 理学［ ． ４ Ｍ］ 北京 ： 电子工业 出版社 ，
２ ４． ００
械 的研 究 。
收 稿 日期 ： ０ ９ ４月 ２ 日 ２０ 年 ３
钛合金切削加工分析
钛合金切削加工分析钛合金的弹性模数小，如TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的一半，因而由切削力所引起的被加工件弹性变形大，将降低工件精度，为此要改善加工系统的刚性。
工件必须很牢固地装夹，刀具对工件支承点的刀矩减到最小。
刀具必须锋利，否则将发生振动、磨擦，使刀具耐用度缩短，工件精度下降。
2 加工表面粗糙度低的原因分析切削钛合金时，仅在切削速度1~5mm/min的范围内，才有积屑瘤形成。
因此在一般生产条件下切削钛合金时，不会产生积屑瘤。
工件与刀具之间的磨擦系数并不很大，容易得到良好的表面质量。
采用冷却润滑液对于改善钛合金表面微观几何形状是没有效果的，切削钛合金时已加工表面粗糙度较低是由于刀具上没有积屑瘤的缘故。
但是，为了改善切削条件，降低切削温度，提高刀具寿命，同时为了消除火灾的危险，加工时使用大量可溶性冷却剂也是必要的。
3 避免加工时发火燃烧现象发生的措施通常钛合金零件加工时没有发火燃烧的现象，可是在微切削状态下加工时有发火燃烧现象，为了避免这种危险性，应该采取措施。
3.1大量使用冷却液；3.2及时从机床上扫除切屑；3.3备有灭火器材；3.4及时更换用钝的刀具；3.5工件表面污染时易引起火花，此时必须降低切削速度；3.6比薄切屑相比，厚切屑不易产生火花，因此要加大走刀量，加大走刀量不会象加大切削速度那样使温度迅速升高。
4 加工钛合金切削用量的选用准则应从降低切削温度的观点出发，采用较低的切削速度和较大的走刀量。
由于高的切削温度使钛合金从大气中吸收氧和氢造成工件表面硬脆，使刀具剧烈磨损，因此在加工过程中，须使刀尖温度保持在合适的温度，避免温度过高。
4.1在断续切削的条件下用YG8车刀车削带硬皮的钛合金工件时，推荐的切削用量为v=15~28m/min，f=0.25~0.35mm/r，ap=1~3mm。
4.2在连续切削的条件下用YG3车刀精车钛合金工件时，推荐的切削用量为v=50~70m/min，f=0.1~0.2mm/r，ap=0.3~1mm。