3C产品钛合金结构件高速铣削刀具研究

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摘 要：为解决小功率加工中心对加工效率的制约，3C产品钛合金结构件加工需要满足“大转速、小进给”加工条件的小规格高速铣刀。在利用有限元软件对螺旋角、前角、后角进行仿真优化的基础上，制备硬质合金四刃立铣刀样刀，通过高速铣削Ti6Al4V的单因素实验优选刀具的螺旋槽型、齿距角和材质，并对仿真优化得到的不同前后角组合方案进行寿命对比实验，得出最优刀具几何参数组合和优选的材质。与国外铣刀的相同切削条件对比实验表明，采用优化几何参数和优选材质的铣刀能够满足100 m⋅min-1以上的切削速度，性能与进口刀具相当。

关键词：钛合金；高速铣刀；几何参数优化；刀具材料；耐用度

[size=1em]在3C行业的小型结构件中，如手机等移动终端产品的金属壳体，钛合金正在大量替代不锈钢。但钛合金是一种典型的难加工材料，刀具磨损快、易崩刃、耐用度低，同时加工过程中易产生加工振动，影响加工质量［1-3］。铣削属于断续切削，更容易在加工过程中产生振动。所以针对钛合金铣刀的研究主要集中在提高刀具寿命、切削速度和防止切削振动等方面。传统的钛合金加工常采用40 m⋅min-1以下的低切削速度和小进给量，获得可接受的刀具寿命和加工质量。切削速度超过60 m⋅min-1时，进口硬质合金刀具的寿命也会明显下降，但稳定性、可靠性好于国产刀具，因此一些领域普遍采用进口刀具［4-8］。为提高加工效率和降低刀具成本，部分企业采用强度较高的高速钢刀具和“小转速、大进给”的方式加工钛合金。

[size=1em]用于3C产品（信息家电）钛合金结构件的加工中心通常主轴功率较小，很难采用“小转速、大进给”的加工方式［9］，为破除小功率加工中心对加工效率的制约，采用“大转速、小进给”加工方式十分必要，但采用100 m⋅min-1以上的切削速度加工钛合金时铣削刀具会出现刀具刃口崩缺严重、寿命显著降低的问题。因此，需要研发适合小功率加工中心高速铣削钛合金的小规格铣刀。

[size=1em]国内外研究表明，在钛合金加工过程中，刀具几何参数和切削参数对切削力、切削温度和加工表面质量均具有重要影响［10-12］。工件、刀具较大的应力和较高的切削温度使刀具更容易产生崩缺、黏结、破损失效和加工表面质量下降。刀具的几何参数主要包括槽型、齿数、螺旋角、前角、后角、刀尖圆弧半径、齿距等，此外，刀具材质也对刀具寿命有重要影响，如高速钢耐热性差，不适合高速切削，超硬材料强度低，硬质合金涂层刀具可兼顾强度和耐热要求［13-14］。如前所述，3C产品钛合金结构件的切削参数已限定为“大转速、小进给”，同时，小结构件的切削深度较小，齿数和刀尖圆弧半径也受到限制。因此，3C产品钛合金结构件高速铣刀研究的对象是槽型、螺旋角、前角、后角、齿距的优化和硬质合金材质的优选。

[size=1em]为节省昂贵的实验材料和提高实验效率，在利用有限元软件对刀具几何参数有效优化的基础上，制备硬质合金四刃立铣刀，进行高速铣削加工Ti6Al4V的实验，分析上述优化参数、优选因素对刀具切削性能及磨损的影响规律，并使用自制铣刀与外购铣刀在相同切削条件下进行切削性能及磨损情况对比分析实验。

1 钛合金高速铣刀几何参数有限元仿真

[size=1em]仿真采用AdvantEdge FEM软件。工件材料为Ti6Al4V，刀具材料为硬质合金（本模型中刀具默认为刚体），工件、刀具材料的性能参数如表1所示。

[size=0.8em]表1 Ti6Al4V和硬质合金刀具材料参数
Tab.1 Material parameters of Ti6Al4V and cemented carbide cutting tool materials

[size=1em]采用Johnson-Cook模型作为钛合金的本构模型，具体参数如表2所示。

[size=0.8em]表2 Ti6Al4V的Johnson-Cook参数
Tab.2 Johnson-Cook parameters of Ti6Al4V

1.1 螺旋角仿真分析

[size=1em]切削力、切削温度和工件、刀具的应力直接影响加工质量和刀具耐用度，因此作为刀具切削性能的主要评价参数［15-16］。

[size=1em]如表3所示，在其他刀具几何参数、切削参数条件相同的前提下进行5种不同螺旋角的仿真对比，包括X、Y、Z方向受力，以及温度、刀具和工件最大应力分析对比，结果如图1所示。X、Z方向受力最小的螺旋角为30°，Y方向5种螺旋角受力相差不大，但30°螺旋角温度在5种螺旋角中最高；从工件最大应力来看，5种螺旋角应力最大的为35°螺旋角刀具，其他4种均在1 409～1 490 MPa，差值也不大；从刀具最大应力来看，应力最大的为45°螺旋角刀具，应力最小的为50°螺旋角刀具。

[size=0.8em]图1 螺旋角的影响
Fig.1 Influence of helix angle

[size=0.8em]表3 铣削加工仿真的刀具几何参数和切削参数
Tab.3 Tool geometric parameters and cutting parameters for milling simulation

[size=1em]综合上述分析结果得出：30°螺旋角下温度最高，35°螺旋角下工件应力最大，所以被剔除；45°螺旋角下刀具应力最大，而50°螺旋角刀具应力比40°螺旋角下要小很多，且工件应力也较小，因此50°螺旋角更具有优势。

1.2 前后角仿真分析

[size=1em]评价参数选取刀具应力、工件应力、X与Y方向切削力及切削温度，分别对30种不同前后角组合方案（见表4）进行二维仿真对比分析。铣刀刃径D =8 mm，螺旋角β =50°。仿真结果如图2、图3所示。Fxy为切削过程中Fx与Fy的合力，Tmax为切削过程中的最高温度，σwmax为切削过程中工件最大应力，σtmax为切削过程中刀具最大应力。

[size=1em]“课后三点半”指家长因忙于工作无法按时接学生放学，校外良莠不齐的教育托管机构服务质量无法保证，还容易变相加重学生的课业负担和家庭经济负担，滋生安全问题，扰乱教育秩序，引发家长和学生的集体焦虑。解决“课后三点半”问题必须坚持公益性和普惠性原则，在非义务教育属性范畴引入课后服务和课后托管机制，以政府引导为核心，由学校组织，吸引社区、志愿者和社会服务机构广泛参与，为学生提供以提升素质为目标的教育服务。

[size=0.8em]图2 前后角的影响
Fig.2 Influence of rake and relief angles

[size=0.8em]图3 各评价参数前后角极差分析
Fig.3 Analysis of the range of rake and relief angles for each evaluation parameter

[size=0.8em]表4 前后角组合方案
Tab.4 Combination scheme of rake and relief angles

[size=1em]从图2的仿真结果可以看出：（1）切削合力Fxy最小的组合是前角为8°、后角为12°，说明较大的前角和后角使切削刃锋利，切削抗力小，与金属切削原理基本理论一致。（2）切削温度最低的组合是前角为6°、后角为10°，切削温度的影响因素较复杂，虽然大前角可以减小变形热，大后角可以减小摩擦热，但大前角和大后角切削刃楔角变小，影响切削刃强度和散热体积，因此应根据具体的切削条件优化。（3）工件应力最小的组合是前角为4°、后角为10°，刀具应力最小的组合是前角为4°、后角为8°，二者相差不大。小前角和中间值后角（9°左右）下工件和刀具应力最小，小前角切削刃强度好，中间值后角既减小了工件与刀具摩擦挤压，同时对切削刃强度的削弱作用较小，效果最好。

[size=1em]图3所示的极差分析表明，除了刀具应力外，前角对各因素的影响都大于后角，尤其是对切削力和切削温度的影响程度，前角明显大于后角，需要精确设计制造。

1.3 容屑槽型仿真分析

[size=1em]除前角、后角和螺旋角外，铣刀容屑槽槽型也直接影响刀具强度、排屑性能和使用寿命。分别针对图4所示3种槽型进行仿真对比分析。3种槽型刀具其他参数相同，刃径D =6 mm，前角为6°，后角为9°，螺旋角为50°，涂层为TiAlN。

[size=0.8em]图4 3种不同槽型
Fig.4 Three different groove types

[size=1em]表5 所示是3种槽型的切削力和温度仿真值，可以看出圆弧槽铣刀仅温度值大于多斜面槽，其余值均为最小，且温度差值率绝对值要小于切削力差值率绝对值，其中温度差值率和切削力差值率指多斜面槽与圆弧槽切削温度（切削力）差值与圆弧槽切削温度（切削力）的比值。从图5中的应力云图也可以发现，圆弧槽铣刀的受力状况较好，其应力在40 MPa以上的红色区域远小于另外两种槽型的刀具。综合不同容屑槽型对刀具温度、铣削力的影响，圆弧槽铣刀的铣削性能较好。

[size=0.8em]图5 不同容屑槽型应力云图
Fig.5 Stress nephograms of different chip flute types

[size=0.8em]表5 3种槽型切削力及温度仿真值
Tab.5 Simulation values of cutting force and temperature for three groove types

2 切削实验

[size=1em]由于仿真建立在特定假设理论模型基础上，仿真软件中有限的参数不能完全描述刀具及其切削过程的实际情况，因此在仿真结果的基础上还要根据实际切削条件进行切削实验。

2.1 不同槽型刀具性能对比实验

[size=1em]在其他几何参数、加工参数相同的条件下（见表6），对图4所示3种槽型刀具进行对比切削实验，观察刀具各部位不同时段的磨损、崩缺、切削振动、排屑状况，结果如表7所示。

[size=0.8em]表6 槽型对比实验的切削参数
Tab.6 Cutting parameters of groove type comparison test

[size=0.8em]表7 槽型对刀具性能的影响
Tab.7 Effect of groove type on tool performance

[size=1em]从实验结果可以得出：（1）3种槽型刀具在排屑性能上无明显区别；（2）普通槽型刀具切削30 min后因崩缺失效无法继续加工，切削加工时间远低于圆弧槽型刀具和多斜面槽型刀具；（3）因被切钛合金材料有限，多斜面槽刀具切削60 min暂停，圆弧槽刀具切削90 min暂停。切削前60 min两款槽型刀具加工情况基本一致，切削状况良好，刀具性能正常，可继续使用；（4）针对钛合金材料铣削加工，普通容屑槽型铣刀无法满足刀具的长寿命要求，应采用专用容屑槽型。

2.2 不同齿距圆周角差值切削实验

[size=1em]为了防止出现共振现象，高速切削的多齿刀具采用不等分齿距，即相邻齿间角不相等，具体差值需要实验优化。在相同切削参数条件下（见表8），对图6所示3种不等齿距方案的刀具进行测试，并观察切削过程中的机床的振动、噪声和加工表面纹路。

[size=0.8em]图6 不同齿距圆周角差值方案
Fig.6 Different pitch circumferential angle difference schemes

[size=0.8em]表8 不同齿距角差值对比切削实验参数
Tab.8 Parameters of cutting tests for comparison of different differences in tooth pitch angles

[size=1em]切削过程中观察到：（1）A方案从实验开始到结束（为节省材料实验历时60 min），切削声音与机床振动都很稳定，无异常声音出现，而B、C方案在35 min后均出现振动和异常噪声，并随时间延长逐渐增大；（2）崩缺方面：10 min后B、C方案开始出现端刃崩缺和刀尖轻微崩缺，随时间延长崩缺量逐渐加大，而A方案在35 min后才出现端刃轻微崩缺，且崩缺量变化缓慢；（3）图7所示的加工表面纹路显示，B、C方案纹路较深，而A方案较浅。综合来看，A方案防振效果最好。

[size=0.8em]图7 工件侧面纹路（30×）
Fig.7 Grain on the side of the workpiece（30×）

2.3 前后角组合方案优化实验

[size=1em]刀具各几何参数相互之间存在耦合效应，因此在单因素仿真优化的基础上，再对上述仿真出的前后角组合进行切削实验。

[size=1em]对前述仿真筛选出的3种较优前后角组合方案（见表9）进行切削实验，观察分析刀具磨损情况，再从中筛选出最优的前后角组合。表10所示是刀具的材料性能。实验采用表3所示的切削参数。

[size=0.8em]表9 较优前后角切削实验及结果
Tab.9 Cutting tests and results of optimized rake and relief angles

[size=0.8em]表10 刀具材料牌号与性能
Tab.10 Tool material grades and properties

[size=1em]表11 所示是不同前后角组合方案的刀具磨损情况。从实验过程及表11所示的刀具磨损情况可以观察到：（1）方案1，加工40 min后刀具出现崩缺，加工至60 min时刀具周刃崩缺严重，且工件加工纹路较粗（有振纹）；（2）方案2，加工20 min时刀具前刀面出现轻微崩缺，40 min后前刀面崩缺加大，加工至60 min时前刀面崩缺严重，且工件加工纹路较粗（与方案1纹路相当）；（3）方案3，加工至60 min后只在前刀面出现轻微磨损，无明显崩缺，加工性能较为稳定，工件加工纹路相对较好。因此，方案3中刀具耐磨损，切削过程平稳，性能最优。

[size=0.8em]表11 不同前后角组合切削实验刀具磨损情况（切削时间为60 min）
Tab.11 Tool wear conditions in cutting tests with different combinations of rake and relief angles（60 min）

2.4 刀具材料优选

[size=1em]选取各厂商推荐的适用于钛合金切削的9种材料（见表12）进行切削实验，观察刀具前后刀面磨损崩缺情况。采用表13所示切削参数，实验刀具几何参数为螺旋角50°+齿距圆周角差值3°+前角4° +后角9°，TiAlN涂层。每种材料自制3支刀具，磨损崩缺值取平均值。

[size=0.8em]表12 实验刀具材料牌号及其性能
Tab.12 Test tool material grades and their properties

[size=0.8em]表13 刀具材料实验切削参数
Tab.13 Cutting parameters for tool material tests

[size=1em]实验结果如图8所示，可以看出M1和M7的前刀面和端齿磨损崩缺值都偏小，且随切削长度增加平稳、缓慢地增大；M3与M1、M7的变化趋势基本相同，但磨损崩缺值稍大，结合超微晶粒M4的磨损崩缺值情况，可以发现更细晶粒的材料并没有表现出更好的耐用度，0.5～0.8 μm的亚微晶粒材料表现最好。M3和M4的Co质量分数都达到12%可能也是其中一个因素，但二者的硬度指标恰恰最高，强度指标也不差，因此材料的选择不能仅凭厂商提供的性能指标，还要通过实验确定。表14所示是磨损崩缺值较小且平稳、缓慢增大的材料牌号及其主要性能指标。

[size=0.8em]图8 不同材料刀具崩缺值随时间变化对比
Fig.8 Comparison of chipping values of cutting tools with different tool materials over time

[size=0.8em]表14 优选材料牌号及其主要性能指标
Tab.14 Preferred material grades and their main performance indicators

2.5 性能对比实验

[size=1em]采用优选材料和前述优化的刀具参数制造铣刀样品，与采购的同规格进口刀具进行性能对比实验，验证优选材料和优化参数刀具的实际使用效果。采用表15所示切削参数，实验刀具几何参数为螺旋角50°+齿距圆周角差值3°+前角4°+后角9°，TiAlN涂层。每种优选材料自制3支刀具，采购进口刀具3支，磨损崩缺值取平均值。

[size=0.8em]表15 刀具材料实验切削参数
Tab.15 Cutting parameters for tool material tests

[size=1em]实验结果如图9所示，从前刀面、端刃崩缺磨损曲线图来看，采用优选材料和优化几何参数自制的刀具整体切削性能相对进口刀具性能要好。所有实验的切削速度都达到100 m⋅min-1以上，本实验的切削速度达到150 m⋅min-1，采用优选材料和优化参数制造的铣刀能够满足钛合金高速切削加工要求，可以替代进口刀具。

[size=0.8em]图9 自制刀具与进口刀具切削性能对比
Fig.9 Comparison of cutting performance between homemade tools and imported tools

3 结论

[size=1em]本文基于3C产品钛合金结构件“大转速、小进给”的实际加工要求，对小直径铣刀的主要几何参数进行了系统的优化设计，对主要硬质合金刀具材料进行了切削实验优选，为降低实验成本和缩短研发周期，刀具几何参数的优化设计采取了仿真和实验相结合的方法，并以最终寿命实验结果为刀具性能的评价指标。

[size=1em]（1）仿真分析和对比切削实验表明，螺旋角、前角、后角、槽型和齿距角等刀具几何参数对钛合金高速铣削刀具的性能都有影响，采用优化刀具几何参数和优选材料牌号制作的硬质合金铣刀可以满足钛合金100 m⋅min-1以上的高速切削要求，耐用度不低于进口刀具。

[size=1em]（2）耐用度最好的铣刀几何参数是圆弧槽型 +螺旋角50°+齿距圆周角差值3°+前角4°+后角9°，实际应用应根据具体切削条件由实验确定。

[size=1em]（3）仿真分析显示，最小切削力、最低切削温度和最小刀具、工件应力对应不同的前后角组合方案，切削实验证明基于最小刀具、工件应力的前后角组合方案刀具耐用度最高。

[size=1em]（4）采用0.5～0.8 μm亚微晶粒、Co质量分数为10%左右的刀具材料的耐用度最高，具体牌号应通过切削实验确定。

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[size=1.8em]Research on High Speed Milling Tools for Titanium Alloy Structural Parts of 3C Products

[size=1em]SHI Runping1,WU Jiao2
（1. Hezhou University, Hezhou, Guangxi 542899）
（2. Shenzhen Xinyunxiang Precision Cutting Tools Company, Shenzhen, Guangdong 518100）

[size=1em]Abstract: Objectives: Aiming at the problems of sharp decline in tool life and lack of matching schemes for domestic tools during high-speed milling of Ti6Al4V alloy shells for 3C products under the process parameter of "high rotational speed and low feed rate",this study systematically investigates the geometry-material collaborative design method of ϕ6 —ϕ8 mm solid carbide end mills for controlling the thermo-mechanical coupling damage at the tool-chip interface.A technical route for long-life tools is established for low-power machining centers (≤3.7 kW) with a cutting speed of ≥100 m⋅min-1.Methods: A three-dimensional thermo-mechanical coupling model is built using AdvantEdge-FEM based on the Johnson-Cook constitutive model.Taking the maximum temperature in the shear zone (Tmax),maximum equivalent stress of the tool(σt),maximum stress of the workpiece (σw),and resultant cutting force (Fxy) as the objective functions,single-factor and multi-factor simulations are conducted on helix angle,rake angle,relief angle,chip flute profile,and pitch angle difference to screen out the optimal solutions.Four-flute TiAlN-coated carbide prototype tools are fabricated,and single-factor cutting tests on Ti6Al4V material are carried out on an AV70S machining center to evaluate tool wear,chipping,vibration,and surface texture.A 60-minute cutting comparison is performed on 9 types of commercial submicron/ultrafinegrained carbide materials,with the criteria for optimal selection being a low wear growth rate and no obvious chipping.Finally,the prototype tool with the optimal geometry-material combination is subjected to a life benchmarking test against imported tools of the same specification under the conditions of 150 m⋅min-1 cutting speed and 0.2 mm cutting depth.Results: Simulation results show that a helix angle of 50° reduces the tool stress to 285 MPa,a 17% decrease compared with 45°.The combination of 4° rake angle and 9° relief angle results in a workpiece stress of 1 320 MPa and a tool stress of 270 MPa,which is the optimal combination for comprehensive multi-objective optimization.The arc-shaped chip flute achieves a resultant cutting force of 25.2 N,a 12% reduction compared with the conventional flute profile,and the lowest temperature of 151 °C.A pitch angle difference of 6° exhibits the best vibration resistance,and the cutting time before the occurrence of abnormal vibration noise and edge chipping is significantly longer than that of 14° and 24° pitch angle differences.Tool geometry cutting tests indicate that the prototype tool with arc-shaped flute,50° helix angle,4°/9°rake/relief angle and 6° pitch angle difference presents the minimum flank wear after 60 minutes of cutting,with no edge chipping and stable cutting process,demonstrating the optimal performance.Tool material optimization tests show that the submicron-grained materials (grain size: 0.5-0.8 μm) with Co mass fraction of 9%-12% (grades M1,M3,M7) have a wear rate of 0.65-0.72 μm⋅min-1.In the high-speed benchmarking test,the service life of the self-made tool with optimized geometry and material reaches 92 minutes,while that of the imported tool is 88 minutes.Conclusions: The life of small-diameter end mills is dominated by thermo-mechanical coupling.The order of influence of geometric parameters is as follows: pitch angle difference >helix angle >rake angle >flute profile >relief angle.Carbide materials with grain size of 0.5-0.8 μm and Co mass fraction of 9%-12% can achieve the optimal balance between toughness and heat resistance in the hardness range of HRA 91.5-92.5.The optimized combination enables stable cutting at ≥100 m ⋅min-1 without modifying the machine tool or cooling conditions,providing a domestic alternative solution for the mass production of 3C product Ti-alloy shells.Others: This study establishes a four-step iterative mode of "simulation-single-factor test-multi-factor test-benchmarking",which can be extended to the development of small-diameter tools for other difficult-to-machine materials.

[size=1em]Keywords: titanium alloy;high speed milling cutter;optimum of geometric parameters;tool material;durability

[size=1em]中图分类号：TG714；TH161

[size=1em]文献标志码：A

[size=1em]DOI：10.3969/j.issn.1000 -7008.2026.02.013

[size=1em]基金项目：贺州学院教授科研启动基金项目（HZUJS202007）

[size=1em]收稿日期：2024年6月

[size=1em]作者简介：

[size=1em]师润平，男，1968 年出生，博士，研究员。主要研究方向为先进制造技术、高速高效切削加工技术、高效刀具技术。

[size=1em]E-mail：516736689@qq.com