２０１３年１０月 第４１卷第１９期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ Ｔ０ＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｏｃｔ．２０１３
Ｖ０１．４１ Ｎｏ．１９
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．１９．００１ ＴＣ４钛合金高速铣削力研究
刘军伟 ，武导侠 ，姚倡锋 （１．陕西光伏产业有限公司，陕西西安７１００７５； ２．西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安７１００７２）
摘要：钛合金高速铣削因具有高效率、高质量的优点，被广泛应用于航空航天制造业。为了研究高速铣削参数对钛合 金高速铣削力的影响，利用专业金属切削加工有限元软件ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ，对ＴＣ４钛合金高速铣削过程进行二维模拟仿真，建 立了高速铣削ＴＣ４钛合金时铣削力的预测模型，获得了不同铣削参数对铣削力的影响规律，并对仿真结果进行了试验验 证。结果表明：高速铣削ＴＣ４钛合金的铣削力比较小，基本不超过１００ Ｎ，铣削力最大值达到１４０ Ｎ；铣削合力对铣削宽度 的变化最为敏感，对铣削速度和铣削深度变化的敏感次之，对每齿进给量最不敏感。研究结果为优化高速铣削工艺提供理 论分析和试验依据。 关键词：钛合金；高速铣削；铣削力 中图分类号：ＴＧ５４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２０１３）１９—００１—６
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ Ｍｉｌｌｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ ｆｏｒ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ Ｔｉ＿６Ａｌ４Ｖ ＵＵ Ｊｕｎｗｅｉ ．ＷＵ Ｄａｏｘｉａ ．ＹＡＯ Ｃｈａｎｇｆｅｎｇ （１．Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７ １００７５，Ｃｈｉｎａ：２．Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７ １００７２。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ｆｏｒ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｑｕａｌｉｔｙ．Ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈｉ ｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ，ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＣ４ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ａ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ｍｅｔａｌ—ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｏｆ ＴＣ４ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｍｉｌｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｗｅｒｅ ｏｂ— ｔａｉｎｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ＴＣ４ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｍａｌｌ，ｎｏｔ ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ １００ Ｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｉｇｇｅｓｔ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｒｅａｃｈｅｓ １４０ Ｎ．Ｔｈｅ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｉｓ ｍｏｓｔ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｌｌｉｎｇ ｄｅｐｔｈ，ｓｅｃｏｎｄａｒｉｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｍｉｌｌｉｎｇ ｗｉｄｔｈ，ａｎｄ ｎｏ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｅｄ ｐｅｒ ｔｏｏｔｈ．Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｍｉｌｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｎ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ；Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｉｌｌｉｎｇ；Ｍｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒｃｅ
钛合金以其密度小、强度高、耐高温、抗腐蚀性 好等特点，在航空、航天、航海、汽车及其他行业得 到了广泛的应用。但由于钛合金导热系数低、弹性模 量小、化学活性大，使得钛合金切削加工性较差，主 要表现在切削温度高、变形系数小、单位面积切削力 大，在切削刃附近，冷硬、粘刀现象和刀具磨损都很 严重 。 有限元方法最早被应用在切削工艺的模拟是２０ 世纪７０年代，与其他传统的方法相比，它大大提高 了分析的精度。ＬＡＪＣＺＯＫ 建立了一个简化的正交切 削模型，在不考虑切屑生成的条件下从实验中得到了 切屑的几何形状和切削力。ＳＴＲＥＮＫＯＷＳＫＩ等 用有 限元法建立了金属的正交切削模型，忽略了工件的弹 性变形，模拟了切屑形成，得到了工件、切屑和刀具 中的温度场分布。ＭＡＲＵＳＩＣＨ等 开发了动态显示 代码求解切削过程的本构方程，同时实现了网格的自 适应，模拟了连续切屑和断裂切屑的成形。Ｌａｒｓ ＯＬＯＶＳＳＯＮ等。。 用任意拉格朗日欧拉方程来解决切屑 断裂时网格畸变的问题，但此模型中未考虑温度和应 变率的影响。ＤＩＲＩＫＯＬＵ 用弹一塑性分析，在不预 设切屑与刀具接触的情况下，模拟了正交切削加工过 程中的切屑流动规律。 随着高速铣削在金属特别是合金加工中的广泛应 用，人们对高速铣削的研究也在不断进步。由于钛合 金在工业中各个领域的应用越来越普遍，因此钛合金 高速铣削加工技术也在逐渐深入。ＦＡＮＧ等 对高速
收稿日期：２０１２—０９—２５ 基金项目：国家自然科学基金（５０９７５２３７，５１００５１８４）；国家科技重大专项（２０１３ＺＸ０４０１１０３１） 作者简介：刘军伟（１９７０一），男，工学硕士，工程师，研究方向为ＣＡＤ／ＣＡＭ、机械结构设计。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｊｗ＠ｓｎｐｖ．ｅｏｍ。 第１９期 刘军伟等：ＴＣＡ钛合金高速铣削力研究 表３正交实验方案
１８０ １６０ Ｚ １４０ ｌ２０ 芝１００ ８０ ６０ ４０
２ｓ §２０ － １５
ｌ０
６０ ● 。
２０
０ ０．２ ０．４ ０．６ ｍｇ （＿）第１组铣削参数仿真（ ＝ｌ３８．２Ｎ，Ｆｙ＝９４．１ Ｎ）
０ ０．２ ０．４ ０．６ Ｕｒｎｓ
０ ０．２ ０．４ ０．６ ｔ／ｍｓ （ｅ）第５组铣削参数仿真（ 一７５．９Ｎ，Ｖｖ：４Ｓ．３Ｎ）
０ ０．２ ０．４ ０．６ ｆ／ｍｓ （ｇ）第７组铣削参数仿真（ ＝１０５．２Ｎ，Ｆ，＝８９．７Ｎ）
２结果与讨论 ２．１铣削力仿真结果分析 图４为不同加工参数下的铣削力仿真结果。在铣 削力仿真图中，选取铣削状态比较稳定的合适的区 间，在该区间内选取各个峰顶铣削力和峰谷铣削力， 并分别求得它们的平均值，最终得到铣削力 方向和 方向的两个分力。
ｌ００ ８０ － 墨６０
４０ ２０
：： ９０ 茎
６０ ＳＯ
０ ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ｔ／ｍｓ （ｂ）第２组铣削参数仿 ‘（ ＝６３．４ Ｎ，Ｆ￣－３９．４ Ｎ）
０ Ｏ．０Ｓ ０．１ ０．１Ｓ ０．２ ｔｉｍｓ
０ ０．０５ ０．１ ０．１５ ０．２ ０．２５ ｔ／ｍｓ （ｆ）第６组铣削参数仿真（ ＝２９．４Ｎ，Ｆ，＝ｉｓ．６Ｎ）
０ ０．２ ０．４ ｌｌｍｓ （ｈ）第８组铣削参数仿真（Ｆｘ＝１１５．９ Ｎ，
０ ０．２ ０．４ ０．６ ｔｉｒｏｓ （ｉ）第９组铣削参数仿真（ ＝１０６．３ Ｎ，￣：－Ｔｓ．８ Ｎ）
图４不同铣削参数下的铣削力仿真
０．６ ７９Ｎ）
们蝤 ＝乌加 加 ＿．乏＿ 枷ｍ ｍ ｍ啪鲫
枷Ⅲ姗ⅢｍⅢ鲫・４・ 机床与液压 第４ｌ卷 根据表３的加工参数和铣削仿真的合力数据，利 用多元线性回归的方法建立了ＴＣ４钛合金仿真铣削 力的预测模型，如式（１）所示。由此可见仿真得 到的铣削合力对铣削宽度的变化最为敏感，对铣削 速度和铣削深度变化的敏感次之，对每齿进给量最 不敏感。 Ｆ＝０．０４ｖＩ ，『。 ｒ上０ ．９５０。１印 （１） 仿真加工参数（铣削深度、每齿进给量、铣削 深度、铣削宽度）对铣削力的影响如图５所示。由 图５可知，ＴＣ４钛合金在高速铣削中铣削力是比较小 的。铣削力随铣削速度的增大呈先增大后减小的趋 势。当铣削速度从２５１ ｍ／ｒａｉｎ变化到３１４ ｍ／ｍｉｎ时， 铣削力由８４ Ｎ急剧增大到１１５ Ｎ；而当铣削速度超过 ３１４ ｍ／ｍｉｎ时，铣削力趋于稳定并有略微减小。切削 速度对切削力的影响，主要看两方面综合作用的结 果：一方面，断续切削会产生较大的切削力冲击和动 态切削力，同时材料硬化会也导致剪切区变形抗力增 加；另一方面，切削速度上升导致切削温度上升，使 被加工材料软化，从而使切削力会减小。在相对较低 的切削速度下，铣削温度的升高不明显，由温度升高 所引起的工件材料的软化也不明显，主轴转速的提高 会导致切削力一定程度的上升；而当切削速度较高 时，切削温度升高显著，由温度升高造成的工件材料 强度下降也较为严重，而此时切削力的冲击和动态切 削力的数值也相应地有较大幅度的增加。 Ｚ 如 裹 嘏 蝰 ２５ｌ ３７＂／０．０３ ０．０７ ０．１ Ｏ．３ ６ ９ ３１４ ０．０５ ０．２ ７．５ ｖＪ（ｍ・ｒａｉｎ。 ）ｆ，／（ｍｍ・ｚ－１） ％／ｍｍ ａｅ／ｍｍ 图５仿真加工参数对铣削力的影响 图５中铣削力随着每齿进给量的增加呈先增大后 减小的趋势。当每齿进给量为０．０５ ｍｍ／ｚ时，铣削力 达到最大值１２７ Ｎ。这主要是因为刀具在 方向的受 力主要包括：前刀面受到弹性压力以及塑性压力在 方向上的分力和前、后刀面受到的试件表面摩擦力在 方向上的分力。刀具在Ｙ方向上的受力主要包括： 前刀面所受到弹性压力和塑性压力在Ｙ方向上的分 力，后刀面所受到Ｙ方向的弹性压力和塑性压力，以 及前刀面所受到的摩擦力在Ｙ方向上的分量。每齿进 给量增加，材料流过前刀面的质量增加，切削面积增 大，刀具前刀面所受到的弹性压力和塑性压力增大， 导致了在 方向和Ｙ方向的分力以及前刀面所受到的 摩擦力增大。Ｙ方向的分力增大又引起后刀面摩擦 力增大，所有这些力都直接或间接地导致刀具在 方向的受力增大。在Ｙ方向上，每齿进给量增加， 刀具前刀面所受的弹性压力和塑性压力增大，这增 大了其向下的分力和前刀面的摩擦力。但是，向下 的分力与摩擦力向上的分力相互抵消，使Ｙ方向上 的力变化不大。 铣削力随着铣削深度的增大呈直线上升趋势，当 铣削深度由０．１ ｍｍ增加到０．３ ｍｍ时，铣削力由６３ Ｎ急剧增大到最大值１４３ Ｎ。这主要是因为当切削深 度很小时， 方向和Ｙ方向受到的切削力都很小，随 着切削深度的增大，， 与Ｆ 的值都成比例地增大。 随着切削深度的增加，所要切削的材料厚度增加一定 值而切削力也相应增加一定值，说明了单位材料厚度 切削所需的切削力是一个定值，切削厚度越大，所需 要的切削力越大。 铣削力随着铣削宽度的增加呈先减小后增大趋 势。当铣削宽度由６ ｍｍ增大到７．５ ｍｍ时，铣削力 从８８ Ｎ减小到８２ Ｎ，当铣削宽度从７．５ ｍｍ增加到９ ｍｍ时，铣削力从８２ Ｎ急剧增加到１３５ Ｎ。这是因为 随着切削的进行，切削温度上升，导致材料软化，由 于切削宽度不同，温度对材料软化影响不同。切削宽 度小，切削余量受温度影响明显，材料软化严重，所 需要的切削力逐渐减小。所以随着切削的进行切削宽 度小的试件，切削力逐渐降低，当切削量在６～７．５ ｍｍ时，温度在材料的扩散和切削达到一个均衡状 态，软化现象的影响和铣削速率趋于相等，处于平 衡状态，所需的切削力维持稳定。而当切削宽度超 过一个能保持稳定平衡的区域时，材料切削余量相 对过大，切削温度对材料软化不够迅速，切削速率 快于温度对材料的软化作用，所以所需的切削力不 断上升。 ２．２铣削力实验结果分析 图６为不同加工参数下的铣削力实验结果。在通 过高速铣削实验所测得的铣削力图中，选取铣削状态 比较稳定的合适的区间，在该区间内选取各个峰顶铣 削力和峰谷铣削力，并分别求得它们的平均值，最终 得到铣削力 方向和Ｙ方向的两个分力。