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Mikron UCP710五坐標(biāo)高速加工中心上進(jìn)行，采用Kistler9265B動態(tài)測力儀及Kistler5019電荷放大器對銑削力進(jìn)行測量蛹屿，采用夾絲半人工熱電偶方法對銑削溫度進(jìn)行測量仿耽。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窥翩，熱處理狀態(tài)為退火业岁。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)律寇蚊。其他切削條件為：軸向切深ap=6mm笔时，徑向切深ae=1mm，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm/z厕斩。為典型的銑削力信號圖以及后刀面磨損VB＝0.15mm 時(shí)的切削力與銑削速度關(guān)系曲線辨头。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)閅翠冻，刀具軸向?yàn)閆曙早。可以看到在此范圍內(nèi)水矢，F(xiàn)x和Fz變化不大烂秘，而Fy隨切削速度的提高略有下降掰魁。試驗(yàn)和理論表明：一方面隨著切削速度的上升巩顶，兩個(gè)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)值會增加低流；其次日病，材料的應(yīng)變硬化程度嚴(yán)重，導(dǎo)致剪切區(qū)變形抗力增加辨蓄。另外一方面秦辆，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，使切削力減小祠乃。所以梦重，切削速度對切削力的影響，要看這兩方面綜合作用的結(jié)果亮瓷。當(dāng)?shù)毒吆蟮睹婺p達(dá)到一定程度時(shí)琴拧，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)地位嘱支，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蚓胸，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)系除师。切削溫度隨銑削速度增加有一直上升的趨勢沛膳，但是在不同的速度范圍內(nèi)扔枫，切削溫度上升的程度是不同的。在較低的速度范圍內(nèi)锹安，溫度隨切削速度而上升的趨勢較快短荐，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八毯。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因在于搓侄，隨著切削速度的增加，傳入切屑的熱量比例增加予乏，更多的熱量被切屑帶走偿寥；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蟹游。

　　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)注的問題填级。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)系蔓捡。隨著銑削速度增加怜人，刀具銑削時(shí)間下降較快。在200～250m/min 的速度范圍內(nèi)時(shí)擦灸，刀具壽命下降很快癌羞；銑削速度繼續(xù)增加，刀具壽命的下降趨勢有所減緩剂撑。在200m/min的速度下豌富，刀具壽命超過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完全腐蝕的鈦合金粘結(jié)物）苞毡。在高速銑削鈦合金時(shí)铅乡，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烈菌，且溫度梯度大阵幸，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)散磨損芽世。一方面挚赊，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層济瓢，TiC粘結(jié)層脫落時(shí)荠割，會帶走一部分刀具材料。另一方面葬荷，刀具中的C向高溫區(qū)擴(kuò)散涨共，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)宠漩，造成WC顆粒間的粘結(jié)強(qiáng)度下降举反，表層脆化懊直，從而引起WC顆粒脫落。另外火鼻，銑削時(shí)的熱沖擊會使刀具切削刃附近產(chǎn)生梳狀裂紋旱醉，裂紋垂直于切削刃方向，沿切削刃平均分布穗蚌，裂紋間距約100μm敬育，長度可達(dá)到0.5mm，并且貫穿前刀面和后刀面崭守。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一程度零勃，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浙辫，使切削刃變形和鈍化类菊。所以，銑削鈦合金時(shí)的刀具磨損是擴(kuò)散磨損郊檐、粘結(jié)磨損和熱沖擊相互作用玩捉、相互促進(jìn)的結(jié)果。 

　　刀具耐用度與銑削速度的關(guān)系

　　高速銑削鈦合金的表面完整性

　　在50～300m/min的速度范圍內(nèi)茴怀，加工表面粗糙度Ra的值較低词宴，并且變化很小，分布在0.1～0.3 μm 之間找筝。表面粗糙度隨后刀面磨損的增加而增大蹈垢。在刀具磨損初期，粗糙度變化不大呻征；但當(dāng)后刀面磨損較大時(shí)耘婚，粗糙度會顯著增加罢浇。為保證獲得良好的表面粗糙度陆赋，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嚷闭，銑削鈦合金TA15的加工表面層金相組織變化并不明顯攒岛，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(shí)胞锰，無論是常規(guī)速度還是高速銑削TA15灾锯，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嗅榕。

　　對殘余應(yīng)力的分析結(jié)果表明顺饮，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)力凌那。壓應(yīng)力的大小約在-300～-30MPa之間沿阁。隨切削速度的提高嫌盲，殘余壓應(yīng)力的絕對值有所降低；徑向切深和每齒進(jìn)給量增加時(shí)铆贞，殘余壓應(yīng)力的絕對值略有升高赐赁，但徑向切深或每齒進(jìn)給量增加，可能導(dǎo)致刀具磨損加快伶摩、加工表面粗糙度和加工硬化的升高雕踊，所以必須將其控制在適當(dāng)?shù)姆秶?

　　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(yàn)昂幕。疲勞試驗(yàn)采用軸向應(yīng)力控制挺候，應(yīng)力比R＝0.1。800MPa和900MPa兩種應(yīng)力水平下庶化，試樣中值疲勞壽命的對比京球。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腺帽。這說明與常規(guī)切削速度相比怎晰，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敛苇，銑削鈦合金的切削力有下降的趨勢妆绞，而切削溫度相應(yīng)升高。在較高的切削速度下枫攀，由于更多的切削熱被切屑帶走括饶，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来涨。

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

　　高速銑削鈦合金可以得到較低的表面粗糙度數(shù)值藤滥，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射線衍射分析表明社裆，殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力拙绊，其值在-300～-30MPa之間。對試樣的疲勞性能試驗(yàn)表明谈毫，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哟俩。　

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