鈦合金曲面開槽用球頭立銑刀幾何參數(shù)的正交優(yōu)化
一烹驰、引言
風(fēng)扇輪和斜流輪是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件,其加工質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和效率。風(fēng)扇輪和斜流輪曲面可采用三維CAD／CAM技術(shù)在多軸聯(lián)動(dòng)加工中心上進(jìn)行銑削加工。由于工件材料TC6鈦合金屬難加工材料,因此數(shù)控銑刀的切削性能將直接影響工件的幾何精度磷籍、表面質(zhì)量和加工效率。針對(duì)鈦合金曲面數(shù)控銑削加工的特點(diǎn),運(yùn)用五軸數(shù)控強(qiáng)力磨削技術(shù)定制鈦合金曲面開槽用球頭立銑刀,并利用正交試驗(yàn)法對(duì)銑刀幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,可顯著提高鈦合金曲面的加工效率,降低加工成本现柠。
二院领、鈦合金曲面數(shù)控銑削加工的特點(diǎn)
1．曲面數(shù)控銑削加工特點(diǎn)
數(shù)控銑削加工作為一種成形加工手段,主要有面成型和線成型兩種成型方法。面成型法以銑刀的全部側(cè)刃作為切削刃,適用于加工斜面够吩、柱面比然、錐面、環(huán)面等曲面废恋。線成型法的成型原理則是將成型面視為型線的集合,以銑刀刀刃上的某一點(diǎn)作為切削刃,通過加工出一條條型線來形成型面,因此適用于加工任何復(fù)雜曲面谈秫。線成型曲面加工有以下特點(diǎn):
(1)復(fù)雜曲面的成型加工多采用球頭銑刀,有時(shí)為了增加刀具剛性,也可采用錐體球頭立銑刀；
(2)曲面成型加工的表面粗糙度較差鱼鼓；
(3)曲面成型加工時(shí),由于采用多軸聯(lián)動(dòng),切削余量不均,被切削材料與刀具切削刃的接觸狀態(tài)不斷改變私免。
2．TC6鈦合金的切削特性
TC6(Ti-6Al-2.5Mo-2.0Cr-0.3Si-0.5Fe)含15%～20%的穩(wěn)定化元素,屬耐熱鈦合金,工作溫度為350～450℃。TC6鈦合金的規(guī)定性能見表1半摔。
表1 TC6鈦合金的規(guī)定性能
常溫性能 高溫性能 δb
(MPa)
δ
(%)
ψ
(%)
αK
(MJ.m-2)
溫度
(℃)
δb
(MPa)
δ100
(MPa)
931 10 23 0.3 450 588 539
TC6鈦合金的切削加工具有以下特點(diǎn):
(1)切削刃負(fù)荷重 切削鈦合金時(shí)切屑變形系數(shù)小(接近或小于1),切屑與刀具前面的接觸長度短(僅為切削鋼時(shí)的1／3～1／4),雖然切削力比切削鋼時(shí)約小20%,但卻集中在切削刃附近,容易造成刀具崩刃檀抡。
(2)切削溫度高 由于鈦合金導(dǎo)熱性很差,且切屑接觸長度短,不利于切削熱的導(dǎo)出,致使切削刃區(qū)溫度較高。實(shí)驗(yàn)表明,切削鈦合金時(shí)的切削溫度比切削45鋼時(shí)約高一倍以上脏偏。
(3)刀具磨損嚴(yán)重 切削鈦合金時(shí)刀具容易磨損,除切削溫度高這一原因外,在切削過程中鈦合金容易與空氣中的氮和氧反應(yīng)形成硬脆表層,加劇刀具的磨料磨損园溃；此外,鈦合金與刀具材料的化學(xué)親合性強(qiáng),容易與刀具材料中的Ti、Co掺胖、Cr等元素粘結(jié),加劇刀具的粘結(jié)磨損程度冲雾。
以上特點(diǎn)是造成鈦合金切削困難醉檐、刀具壽命短、切削效率低的主要原因奥怪。
三勿镇、球頭立銑刀幾何參數(shù)的正交優(yōu)化
根據(jù)風(fēng)扇輪和斜流輪工件曲面數(shù)控加工的實(shí)際要求及鈦合金銑削加工的特點(diǎn),可采用五軸數(shù)控磨削中心制造鈦合金曲面開槽加工用球頭立銑刀。為獲得合理的立銑刀幾何參數(shù)組合,我們采用正交試驗(yàn)法對(duì)風(fēng)扇輪曲面開槽用球頭立銑刀的幾組幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選,刀具幾何參數(shù)組合方案見表2盘瞧。
表2 刀具幾何參數(shù)組合方案
刀具
編號(hào)
前角γ0
(°)
后角α0
(°)
刃帶寬br1
(mm)
螺旋角β
(°)
1 8 8 0.2 36 2 8 10 0.3 38 3 8 12 0.4 40 4 10 8 0.3 40 5 10 10 0.4 36 6 10 12 0.2 38 7 12 8 0.4 38 8 12 10 0.2 40 9 12 12 0.3 36
試驗(yàn)條件:機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速S＝540rpm,進(jìn)給速度f＝140mm／min,切削深度ap＝4mm蚂兴。
試驗(yàn)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn):刀具在20分鐘內(nèi)破損得0分；在30分鐘內(nèi)后刀面磨損0.12mm以上得1分膘掰；在30分鐘內(nèi)后刀面磨損0.12mm以內(nèi)得2分章姓；在30分鐘內(nèi)后刀面磨損0.05mm以內(nèi)得3分。
試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果分析分別列于表3和表4识埋。
表3 試驗(yàn)結(jié)果
刀具編號(hào) 工件槽編號(hào) 試驗(yàn)結(jié)果(后刀面磨損) 1 1#槽,第二層 30分鐘后磨損0.15mm,33分鐘時(shí)破損 2 2#槽,第二層 30分鐘后磨損0.05mm,33分鐘時(shí)破損 3 3#槽,第二層 6分鐘時(shí)三個(gè)刀齒均破損 4 4#槽,第二層 30分鐘后磨損0.1mm,32分鐘時(shí)破損 5 5#槽,第二層 15分鐘時(shí)破損 6 6#槽,第二層 6分鐘時(shí)刀齒破損 7 7#槽,第二層 32分鐘后磨損0.05mm 8 8#槽,第二層 30分鐘時(shí)破損 9 9#槽,第二層 6分鐘時(shí)破損
表4 試驗(yàn)結(jié)果分析
刀具
編號(hào)
前角γ0
(°)
后角α0
(°)
刃帶寬br1
(mm)
螺旋角β
(°)
試驗(yàn)得分 1 8 8 0.2 36 1 2 8 10 0.3 38 3 3 8 12 0.4 40 0 4 10 8 0.3 40 2 5 10 10 0.4 36 0 6 10 12 0.2 38 0 7 12 8 0.4 38 3 8 12 10 0.2 40 1 9 12 12 0.3 36 0 K1 4 6 2 1 K2 2 4 5 6 K3 4 0 3 3 K1/3 1.333 2 0.667 0.333 K2/3 0.667 1.333 1.667 2 K3/3 1.333 0 1 1
比較上述9組不同幾何參數(shù)組合的刀具試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)幾何參數(shù)組合為γ0＝12°,α0＝8°,br1＝0.4mm,β＝38°時(shí)刀具的抗磨損性能最佳,該組幾何參數(shù)即為風(fēng)扇輪曲面開槽用球頭立銑刀的優(yōu)化參數(shù)凡伊。此外,由試驗(yàn)結(jié)果可知,在加工中刀具使用30分鐘后應(yīng)強(qiáng)制換刀,進(jìn)行修磨后再重新使用,這樣可防止刀具進(jìn)一步磨損引起破損失效。
四惭聂、結(jié) 語
利用整體數(shù)控磨削加工技術(shù)制造加工鈦合金曲面用數(shù)控刀具時(shí),采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,可針對(duì)特定的工件材料和加工要求對(duì)刀具進(jìn)行“量體裁衣”式設(shè)計(jì),在采用普通刀具材料的情況下,通過優(yōu)化刀具的幾何參數(shù)組合,可達(dá)到最佳的切削效果窗声。試驗(yàn)表明,在相同的切削條件下,經(jīng)正交優(yōu)化后的開槽球頭立銑刀的壽命比瑞士米克朗公司提供的相同外徑尺寸刀具的壽命提高二倍以上,其切削效果達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。
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