发布日期：2025-9-29 10:16:23
引言
TC4合金材料因具有韧性高､比强度大､抗高温氧化等优异性能，被广泛应用于航空装备､医疗机械和轻型交通设施等行业，尤其是在轻型精度测试设备中发挥着重要技术支持的效果 [1]｡但是激光熔覆成形合金因具备较高硬度导致机加工困难，因此开展针对难加工材料的刀具是热点之一｡
由于钛合金材料具备很高机械强度，从而极大提高了钛合金加工难度 [2]｡对钛合金进行制造加工的过程中，切削力较大，切削温度较高，容易引起刀具振动和表面磨损，这使其加工难度加大 [3]｡根据前期文献报道可知，国内外众多学者已开展了钛合金的加工特性､工艺调整以及切削力方面的系统性研究工作｡韩晓兰等 [4] 以难加工 TC11 钛合金为对象，开展深孔钻削试验，优化主轴转速和进给量参数｡冯亚洲等 [5] 以难加工 TA15钛合金为对象，研究机床主轴参数对切屑形态的影响，并对主参数进行优化｡
针对 TC4 合金的激光加工研究工作，国内外到目前为止还很少有文献进行报导｡本实验以 TC4 合金为研究对象，对其进行快速铣削试验，并对其进行了切削特性试验分析｡
1、实验方案
1.1 试样制备
鉴于激光增材技术其具有工艺柔性和可靠性高的优点，该加工方法有望在解决零件损伤修复问题的同时，研制出具有优良抗高温能力的新型材料｡本实验以钛合金作为基材试样，以 R2000iB 六轴机器人进行激光脉冲实现激光脉冲激光的能量输出，调节激光束的输出功率为 3250 W｡熔覆层是厚度 3 mm 的金属粉末，使其间隔不超过 0.6 mm｡在熔覆加工时，控制激光器头部和涂层表面之间的距离保持在 285 mm 左右｡同时，在熔覆过程中一直保持氩气通入，防止表层与空气接触发生氧化｡采用以上方法实现 TC4 样品的激光熔敷｡
本实验以 TC4 激光熔覆层作为研究对象，对其进行高速切削试验｡采用电火花线切割法制得 50 mm×40 mm×40 mm 的样品｡利用专门制作的夹具将样品固定，然后调整夹具位置｡
硬质刀具铣削试验照片如图 1 所示，将 Kistler9265B 压电探测仪设置在载荷测量中｡切削力方向与铣刀周向切向保持一致，此方向的功耗达到最大，会对切削加工过程产生重要影响，研究深入探讨了对切削载力影响因素｡
1.2 实验方案制定
在 FANUC-D14MiA 立式加工中心上开展铣削测试，选用的是 Walter WMG40 硬质铣刀，直径为 20 mm, 刃数为 2, 前角为 12°, 后角为 14°, 螺旋角为 35°｡卢银菊 [6] 在采用铣削处理钛合金时，研究发现主切削力随着进给量不断增大而持续增大，主切削力随着切削刃不断增大而升高｡本文在前人基础上和结合实际情况，确定铣削速度选取为 100~800 mm/min, 进给量选取为 0.02~0.10 mm, 铣削深度选取为 0.02~0.10 mm｡
本实验采用单因素试验方式，分析了切削速度､深度､进给量等因素对切削力的影响，并开展逆向铣削试验｡
2、结果分析
2.1 铣削方向分析
如图 2 所示给出了设定不同铣削条件下铣削 TC4 钛合金所得的结果，由于设定了不同铣削方向，导致切削力发生改变｡试验结果表明，激光熔覆层形成各向异性结构中，大部分的热量是由激光产生，在基体上形成叠层结构熔覆层｡陈莉等 [7] 发现铣削加工激光熔覆钛合金时存在各向异性，与熔覆轨迹保持相同方向铣削，形成了比 90° 方向更高的主切削力｡随着激光照射区域不断前进，合金温度也出现了很大变化｡观察各个温度梯度下的材料显微组织可以发现，实际制得试样微观组织结构也会发生很大变化，从而使材料微观力学特性产生显著变化｡
2.2 进给量分析
如图 3 所示，是在设定各个单齿轮进给速率下对应的钛合金主削作用力测试数据，其中，铣削速度被设定在 400 mm/min, 铣削深度值 0.8 mm｡随着进给量的提高，激光熔覆合金的切削力发生了不断增加的变化过程｡这是因为增加进给量后可以使刀刃产生更大的切割厚度并形成更多未切割层，从而显著提高切割阻力｡由于铣刀具有螺纹形态的表面结构，在铣削加工过程中，多个刀刃会产生切出效应｡在加工过程中，随着刀具刃口的增加产生了较大切削力｡对两种不同类型的钛基材料进行铣削试验，可以得到切削力符合 90° 铣削载荷最低的状态 [8]｡
2.3 铣削深度分析
如图 4 所示显示了在设定铣削速度为 200 mm/min 以及进给量为 0.06 mm 的条件下各铣削深度对应的切削力｡研究表明，随着铣削深度的增加，切削力呈直线上升的趋势｡这主要是因为随着铣削深度增大后，工件组织的去除过程会消耗更多能量，而刃口受到的阻力也更大｡
2.4 铣削速度分析
如图 5 所示是当进给量为 0.04 mm 和铣削深度为 0.4 mm 的状态下，设定各铣削速率下获得的 TC4 主削削力｡研究发现，在 100~400 m/min 的范围内，随着铣削速率的增加，切削力也逐渐增大｡随着铣削速率的增加，切削力逐渐趋于平稳｡由本实验数据的分析结果可以看出，提高切割速度有利于提高钛合金获得更优机械加工效果｡
3、结论
本文开展激光熔覆合金硬质刀具铣削工艺下切削力分析，取得如下有益结果:
1) 激光熔覆层形成各向异性结构中，大部分的热量是由激光产生，基体上形成叠层结构熔覆层｡
2) 随着进给量的提高，多个刀刃会产生切出效应，激光熔覆合金的切削力不断增加变化｡
3) 随着铣削深度的增加，切削力呈直线上升，工件组织的去除过程会消耗更多能量｡
4) 随着铣削速率的增加，切削力逐渐增大，逐渐趋于平稳，有利于提高合金机械加工效果｡
参考文献
[1] 李云义，李树健，李鹏南，等.CFRP/TC4 叠层结构钻削仿真与实验研究 [J]. 宇航材料工艺，2023,53 (6):32-39. (下转第 93 页)
[2] 贾宗强，白海清，张鑫何，等.TC4 钛合金材料钻削仿真与参数优化 [J]. 兵器装备工程学报，2023,44 (10):94-105.
[3] 梁桂强，刘昂驰，高源。钛合金 Ti6Al4V 与铝合金 Al7075-T651 钻削性能仿真对比分析 [J]. 组合机床与自动化加工技术，2023 (4):133-136.
[4] 韩晓兰，张旭康，刘战锋，等.TC11 钛合金深孔钻削试验研究与切屑形态分析 [J]. 工具技术，2023,57 (12):48-50.
[5] 冯亚洲，黄帅澎，刘雁蜀，等.TA15 钛合金深孔钻削试验研究 [J]. 制造技术与机床，2022 (2):39-42.
[6] 卢银菊。硬质合金刀具铣削参数对激光熔覆 TC4 合金切削力的影响 [J]. 四川冶金，2023,45 (3):10-12.
[7] 陈莉，张美娟。硬质合金刀具铣削参数对激光熔覆 TC4 合金切削力的影响研究 [J]. 山西冶金，2023,46 (7):37-39.
[8] 陈冒风，张臣，方军，等。振动辅助钻削对 CFRP/ 钛合金叠层结构孔径阶差影响规律实验研究 [J]. 宇航材料工艺，2022,52 (3):88-93.
（注，原文标题：激光熔覆合金硬质刀具铣削工艺下切削力分析）