高速銑削鈦合金的切削力和切削溫度

切削力和切削溫度試驗(yàn)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(cè)試系統(tǒng)對(duì)銑削力進(jìn)行測(cè)量,，采用夾絲半人工熱電偶方法對(duì)銑削溫度進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)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(yàn),，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(hào)圖以及后刀面磨損VB＝0.15mm 時(shí)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?yàn)閄,，銑刀徑向切深方向?yàn)閅,，刀具軸向?yàn)閆?？梢钥吹皆诖朔秶鷥?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(yàn)和理論表明：一方面隨著切削速度的上升,，兩個(gè)因素會(huì)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(dòng)態(tài)切削力的數(shù)值會(huì)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(huì)使被加工材料軟化，使切削力減小,。所以,，切削速度對(duì)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(shí),，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(guò)動(dòng)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(shì)。

典型的銑削溫度熱電勢(shì)信號(hào)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(shì),，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(shì)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(shì)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(guò)程中較受關(guān)注的問(wèn)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(shí)間下降較快,。在200～250m/min 的速度范圍內(nèi)時(shí),，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(shì)有所減緩,。在200m/min的速度下，刀具壽命超過(guò)120min,。

硬質(zhì)合金刀具高速銑削鈦合金時(shí)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(shí)，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(shí)，會(huì)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(shí)的熱沖擊會(huì)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(zhǎng)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(huì)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(shí)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(shí)，粗糙度會(huì)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(lái)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(dòng)方向被拉伸的現(xiàn)象。同時(shí),，無(wú)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(huì)造成顯著的加工硬化,。

采用YOLO-YDXC-III切削三向力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)銑削力進(jìn)行測(cè)量對(duì)殘余應(yīng)力的分析結(jié)果表明,，在試驗(yàn)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(shí),，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(duì)加工零件表面質(zhì)量和疲勞性能的影響，進(jìn)一步對(duì)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(duì)比試驗(yàn),。疲勞試驗(yàn)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(duì)比,。采用YOLO-YDXC-III切削三向力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)銑削力進(jìn)行測(cè)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(shuō)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(shì),，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(lái)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(shí)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(guò)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(duì)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(duì)試樣的疲勞性能試驗(yàn)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(cè)儀器科技有限公司

       2016年05月

（參考南京航天學(xué)院和上海航天設(shè)備制造廠）