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高速銑削鈦合金的切削力和切削溫度

（堯零智能檢測儀器科技有限公司）

切削力和切削溫度試驗在五坐標(biāo)高速加工中心上進(jìn)行，采用YOLO-YDXC-III切削三向力測試系統(tǒng)對銑削力進(jìn)行測量，采用夾絲半人工熱電偶方法對銑削溫度進(jìn)行測量,。試驗用刀具為Walter WMG40硬質(zhì)合金機(jī)夾刀片,，工件材料為鈦合金TA15,，熱處理狀態(tài)為退火,。采用單因素試驗,，考察不同銑削速度下切削力和切削溫度的變化規(guī)律,。其他切削條件為：軸向切深ap=6mm,，徑向切深ae=1mm，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm/z,。為典型的銑削力信號圖以及后刀面磨損VB＝0.15mm 時的切削力與銑削速度關(guān)系曲線,。銑削力的方向定義為：進(jìn)給方向為X，銑刀徑向切深方向為Y,，刀具軸向為Z,。可以看到在此范圍內(nèi),，F(xiàn)x和Fz變化不大,，而Fy隨切削速度的提高略有下降。試驗和理論表明：一方面隨著切削速度的上升,，兩個因素會導(dǎo)致切削力的增加,。首先是由斷續(xù)切削造成的切削力沖擊和動態(tài)切削力的數(shù)值會增加；其次,，材料的應(yīng)變硬化程度嚴(yán)重,，導(dǎo)致剪切區(qū)變形抗力增加。另外一方面,，切削速度上升導(dǎo)致的切削溫度上升也會使被加工材料軟化,，使切削力減小。所以,，切削速度對切削力的影響,，要看這兩方面綜合作用的結(jié)果。當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p達(dá)到一定程度時,，隨著切削速度的增加,，由溫度升高所導(dǎo)致的材料軟化影響占主導(dǎo)地位，其作用超過動態(tài)切削力增加和應(yīng)變硬化增加兩方面的影響,，所以總的銑削力呈下降趨勢,。

典型的銑削溫度熱電勢信號及50～550m/min 切削速度范圍內(nèi)的切削溫度與銑削速度的關(guān)系。切削溫度隨銑削速度增加有一直上升的趨勢，但是在不同的速度范圍內(nèi),，切削溫度上升的程度是不同的,。在較低的速度范圍內(nèi)，溫度隨切削速度而上升的趨勢較快,，而在較高的速度范圍內(nèi),，溫度隨切削速度而上升的趨勢變緩。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于,，隨著切削速度的增加,，傳入切屑的熱量比例增加，更多的熱量被切屑帶走,；而傳入工件和刀具的熱量的比例減小,，相應(yīng)的刀具和工件的溫度升高也不明顯。

高速銑削鈦合金的刀具磨損

鈦合金高速銑削刀具磨損機(jī)理和刀具耐用度是生產(chǎn)過程中較受關(guān)注的問題,。為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)VB＝0.3mm的情況下,，刀具耐用度隨切削速度的變化關(guān)系。隨著銑削速度增加,，刀具銑削時間下降較快,。在200～250m/min 的速度范圍內(nèi)時，刀具壽命下降很快,；銑削速度繼續(xù)增加,，刀具壽命的下降趨勢有所減緩。在200m/min的速度下,，刀具壽命超過120min,。

硬質(zhì)合金刀具高速銑削鈦合金時的刀具磨損微觀形態(tài)（圖中黑色部分為未被*腐蝕的鈦合金粘結(jié)物）。在高速銑削鈦合金時,，鈦合金在刀具表面的粘結(jié)現(xiàn)象非常嚴(yán)重,，由于工件與刀具接觸表面的溫度較高，且溫度梯度大,，在鈦合金粘結(jié)和溫度梯度的綜合作用下,，刀具將產(chǎn)生擴(kuò)散磨損,。一方面,，粘結(jié)在刀具上的鈦合金中的Ti元素向刀具中擴(kuò)散，形成粘結(jié)的TiC層,，TiC粘結(jié)層脫落時,，會帶走一部分刀具材料。另一方面,，刀具中的C向高溫區(qū)擴(kuò)散,，Co向低溫區(qū)擴(kuò)散，在刀具和工件的接觸面上形成富C貧Co區(qū)，造成WC顆粒間的粘結(jié)強(qiáng)度下降,，表層脆化,，從而引起WC顆粒脫落。另外,，銑削時的熱沖擊會使刀具切削刃附近產(chǎn)生梳狀裂紋,，裂紋垂直于切削刃方向，沿切削刃平均分布,，裂紋間距約100μm,，長度可達(dá)到0.5mm，并且貫穿前刀面和后刀面,。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一程度,，會引起刀具切削刃的強(qiáng)度下降，從而使刀具材料被粘結(jié)其上的鈦合金撕裂和脫落,，使切削刃變形和鈍化,。所以，銑削鈦合金時的刀具磨損是擴(kuò)散磨損,、粘結(jié)磨損和熱沖擊相互作用,、相互促進(jìn)的結(jié)果。

高速銑削鈦合金的表面完整性

在50～300m/min的速度范圍內(nèi),，加工表面粗糙度Ra的值較低,，并且變化很小，分布在0.1～0.3 μm 之間,。表面粗糙度隨后刀面磨損的增加而增大,。在刀具磨損初期，粗糙度變化不大,；但當(dāng)后刀面磨損較大時,，粗糙度會顯著增加。為保證獲得良好的表面粗糙度,，應(yīng)該控制刀具的后刀面磨損量,。

從各種切削速度下加工表面層的金相組織來看，銑削鈦合金TA15的加工表面層金相組織變化并不明顯,，也未發(fā)現(xiàn)晶粒沿刀刃運(yùn)動方向被拉伸的現(xiàn)象,。同時，無論是常規(guī)速度還是高速銑削TA15,，所產(chǎn)生的加工硬化均不嚴(yán)重,，銑削速度的提高并不會造成顯著的加工硬化。

采用YOLO-YDXC-III切削三向力測試系統(tǒng)對銑削力進(jìn)行測量對殘余應(yīng)力的分析結(jié)果表明,，在試驗所用各種切削速度下,，已加工表面的殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力。壓應(yīng)力的大小約在-300～-30MPa之間。隨切削速度的提高,，殘余壓應(yīng)力的值有所降低,；徑向切深和每齒進(jìn)給量增加時，殘余壓應(yīng)力的值略有升高,，但徑向切深或每齒進(jìn)給量增加,，可能導(dǎo)致刀具磨損加快、加工表面粗糙度和加工硬化的升高,，所以必須將其控制在適當(dāng)?shù)姆秶?/span>

為了更加準(zhǔn)確和可靠地分析切削速度對加工零件表面質(zhì)量和疲勞性能的影響,，進(jìn)一步對各種切削速度下銑削加工的鈦合金試樣進(jìn)行了疲勞性能的對比試驗。疲勞試驗采用軸向應(yīng)力控制,，應(yīng)力比R＝0.1,。800MPa和900MPa兩種應(yīng)力水平下，試樣中值疲勞壽命的對比,。采用YOLO-YDXC-III切削三向力測試系統(tǒng)對銑削力進(jìn)行測量在50～100m/min的切削速度范圍內(nèi),，試樣的疲勞壽命隨切削速度的提高而明顯上升。這說明與常規(guī)切削速度相比,，高速切削鈦合金可以獲得更好的加工表面,。

結(jié)果分析與討論

隨著銑削速度的提高，銑削鈦合金的切削力有下降的趨勢,，而切削溫度相應(yīng)升高,。在較高的切削速度下，由于更多的切削熱被切屑帶走,，而來不及傳入工件和刀具,，所以刀具和工件的溫度升高較小。

高速銑削鈦合金時的刀具磨損,，是擴(kuò)散磨損,、粘結(jié)磨損和熱沖擊相互作用、相互促進(jìn)的結(jié)果,。在200m/min的速度下,，刀具壽命超過120min。

高速銑削鈦合金可以得到較低的表面粗糙度數(shù)值,，金相組織變化和加工硬化均不明顯,。對表層殘余應(yīng)力的X射線衍射分析表明，殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力,，其值在-300～-30MPa之間,。對試樣的疲勞性能試驗表明,，在一定范圍內(nèi)提高切削速度有利于改善零件的表面完整性和疲勞性能,。

堯零智能檢測儀器科技有限公司

       2017年08月

（參考南京航天學(xué)院和上海航天設(shè)備制造廠）