钛合金因具有高比强度、高比模量、低线胀系数、耐冲击、耐磨，耐热等优良性能[1]而应用广泛。但钛合金难加工[2]，在实际切削加工中，刀具耐用度低，刀具磨损严重，加工成本高，大大的阻碍了这类材料的应用与推广[3]。钛合金TB6是一种高韧、高强并且拥有优秀热加工性的近β型钛合金，和同强度结构钢或其他一些钛合金相比可大大降低结构质量[4]。
在金属切削加工过程中，刀具磨损是人们普遍关注的一个问题[5]。因为它涉及到很多方面的问题，对刀具寿命、加工的经济性、加工精度、加工工件的表面质量、可靠性等方面都有很大影响。国内外很多学者都对切削时刀具磨损进行了大量研究。ATTANASIO等对硬质合金刀具切削AISI1045时的刀具磨损进行了预测[6]。FILICE等对切削中碳钢时刀具磨损情况进行了预测[7]。郑敏利等使用未涂层硬质合金刀具进行钛合金外圆切削实验，发现刀具的磨损以扩散磨损、粘连磨损为主，且随切削速度和进给量的增大，刀具磨损加剧[8]。陈燕等使用软件对高速切削钛合金TC4时的刀具磨损进行了有限元分析，发现随切削速度增加刀具磨损加快，且切削速度为300 m/min时刀具寿命仅为130 m/min的1/3[9]。
本文通过在不同切削参数下对钛合金TB6进行干式正交切削试验，对比分析不同切削参数下的刀具磨损情况，并用实验结果进行回归分析得到刀具磨损的回归公式，为优化切削参数、提高刀具耐用度，降低加工成本提供一定参考。
1 实验 1.1 试验方案本次实验根据生产经验、文献数据、刀具厂商推荐值等综合考虑选定9组铣削参数，进行正交切削实验，铣削方式为顺铣。使用9把相同刀具进行实验。根据推荐的的耐用度实验标准，选取后刀面磨损量VB=0.25~0.3 mm作为刀具的磨损标准。使用显微照相机检测刀具的磨损情况，按实验预定的铣削参数加工工件，每隔一定时间停止加工，拍摄实验过程中刀具后刀面磨损图像，在软件中处理磨损图像，可得到当前刀具磨损情况。
采用正交试验方法设计实验，设计四因素三水平正交试验，四个因素为铣削速度、每齿进给量、切削深度，切削宽度。各因素水平见表 1。
| 因素水平 | 切削速度vc/m·min-1 | 每齿进给量fz/mm·z-1 | 切削深度ap/mm | 切削宽度ac/mm |
| 水平1 | 15 | 0.04 | 1 | 0.12 |
| 水平2 | 25 | 0.08 | 1.5 | 0.17 |
| 水平3 | 35 | 0.12 | 2 | 0.22 |
图 1为实验所用机床MVC1000，图 2为实验所用硬质合金刀具，55°整体合金立铣刀，φ6R0.5×15×φ6×50L×55°×4T。
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| 图 1 实验用机床 Figure 1 Experimental machine |
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| 图 2 实验用刀具 Figure 2 Experimental tool |
实验采用TB6长方体材料，又称Ti-1023(典型的近β型钛合金)，名义成分为Ti-10V-2Fe-3Al。其化学成分及力学性能如表 2表 3所示。
| wt% | ||||||
| H | O | N | Fe | Al | V | Ti |
| 0.01 | 0.03 | 0.03 | 1.93 | 2.95 | 10.2 | 余量 |
| 抗拉强度σb/MPa | 屈服强度σ0.2/MPa | 伸长率δ/% | 收缩率ψ/% | 冲击韧性αk/J·cm-2 |
| 1145 | 1082 | 11.1 | 64.4 | 60 |
使用显微照相机测量刀具的磨损情况。照相机与计算机相连，使用相关软件可将刀具磨损情况放大，便于在计算机上观察。将照相机固定在机床上，并将装夹好的刀具移到适当位置，记录当前坐标。经过一定时间的切削后，暂停切削，将刀具移到预先记录的坐标处，使用照相机观察并记录磨损情况。如未达到预定磨损量可继续切削一定时间后，暂停切削再次将刀具移到预先记录的坐标处，观察磨损情况，直至刀具达到预定磨损量为止。
1.5 测试标准在评定刀具材料切削性能和研究试验时，都以刀具表面的磨损量作为衡量刀具的磨钝标准。国际ISO推荐的刀具耐用度磨钝标准为后刀面磨损量：VB=0.3 mm，在实际应用经常根据所加工材料和刀具的具体情况在025~0.3 mm之间选择。由于钛合金为难加工材料，加工过程中刀具破坏形态比较复杂，所以在本次试验中取后刀面磨损量VB=0.26 mm作为本次试验的磨损标准。
2 结果与讨论按照指定的实验方案，在每组切削参数下，以后刀面磨损量VB=0.26 mm作为刀具的磨损标准，计算出每组所需要的切削时间并记录(表 4)。实验所用试件为一长方体钛合金，切削时沿一个方向进行多次重复切削，记录下每组实验重复切削次数和时间，当刀具后刀面磨损量0.26 mm时停止切削，此时所切削的时间即为刀具耐用度。
| 实验号 | 水平组合 | 铣削深度ap /mm | 铣削宽度ae/ mm | 进给量fz /mm·z-1 | 切削速度vc / m·min-1 | 耐用度t/min | 切削次数 |
| 1 | A1B1C1D1 | 1 | 0.12 | 0.04 | 15 | 218 | 154 |
| 2 | A1B2C2D2 | 1.5 | 0.17 | 0.08 | 15 | 190 | 270 |
| 3 | A1B3C3D3 | 2 | 0.22 | 0.12 | 15 | 65 | 138 |
| 4 | A2B1C2D3 | 1.5 | 0.22 | 0.04 | 25 | 144 | 170 |
| 5 | A2B2C2D1 | 2 | 0.12 | 0.08 | 25 | 38 | 90 |
| 6 | A2B3C1D2 | 1 | 0.17 | 0.12 | 25 | 25 | 90 |
| 7 | A3B1C3D2 | 2 | 0.17 | 0.04 | 35 | 55 | 92 |
| 8 | A3B2C1D3 | 1 | 0.22 | 0.08 | 35 | 18 | 60 |
| 9 | A3B3C2D1 | 1.5 | 0.12 | 0.12 | 35 | 8 | 40 |
图 3为某一次显微照相机通过计算机对切削时刀具磨损情况的测量，刀尖处白亮带为刀具磨损，通过计算机测量其宽度。
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| 图 3 刀具后刀面磨损 Figure 3 Tool wear of the flank face |
使用spss对实验结果进行回归分析，得到刀具耐用度的回归方程：
| $ T = 3741 \times {a_{\rm{p}}}^{0.051} \times {a_{\rm{c}}}^{0.13} \times {f_{\rm{z}}}^{ - 0.624} \times {v_{\rm{c}}}^{ - 0.745} $ |
回归公式的模型误差如表 5所示，可以看出回归方程R方差及调整R方差均在0.9以上，能够很好地对刀具耐用度进行预测。
通过图 4~图 7几幅散点图，可以看出，切削深度和切削宽度与时间的线性关系不显著，而进给量和切削速度与时间的线性关系较为显著。
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| 图 4 铣削深度与耐用度回归残差散点图 Figure 4 Regression residual scatter plot of depth of cut and cutting time |
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| 图 5 铣削宽度与耐用度回归残差散点图 Figure 5 Regression residual scatter plot of width of milling and cutting time |
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| 图 6 进给量与耐用度回归残差散点图 Figure 6 Regression residual scatter plot of feed speed and cutting time |
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| 图 7 切削速度与耐用度回归残差散点图 Figure 7 Regression residual scatter plot of cutting speed and cutting time |
通过研究不同切削参数下切削钛合金TB6时刀具的磨损情况，得出以下结论：
(1) 在不同切削参数下的刀具主要磨损位置相似，大都出现在后刀面位置，前刀面磨损较后刀面不明显。后刀面的磨损大都呈现一条带状磨损带，且随速度增大磨损带会变长。在速度增大时，刀具易发生脆性破损，且在刀具表面会出现钛合金粘连。
(2) 通过本次试验可以看出，在TB6铣削加工时，切削速度、进给量，切削宽度和切削深度都会影响刀具耐用度。而对耐用度的影响较大的是切削速度, ，其次分别为进给量、切削宽度和切削深度。
(3) 通过实验得到的实验数据，实用软件进行回归分析，得到了刀具磨损时间回归方程，且可靠性良好。
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