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在Mikron UCP710五坐標高速加工中心上進行，采用Kistler9265B動態測力儀及Kistler5019電荷放大器對銑削力進行測量，采用夾絲半人工熱電偶方法對銑削溫度進行測量。試驗用刀具為Walter WMG40硬質合金機夾刀片，工件材料為鈦合金TA15，熱處理狀態為退火。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律。其他切削條件為：軸向切深ap=6mm，徑向切深ae=1mm，每齒進給量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系曲線。銑削力的方向定義為：進給方向為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，Fx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，兩個因素會導致切削力的增加。首先是由斷續切削造成的切削力沖擊和動態切削力的數值會增加;其次，材料的應變硬化程度嚴重，導致剪切區變形抗力增加。另外一方面，切削速度上升導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果。當刀具后刀面磨損達到一定程度時，隨著切削速度的增加，由溫度升高所導致的材料軟化影響占主導地位，其作用超過動態切削力增加和應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 切削速度范圍內的切削溫度與銑削速度的關系。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，切削溫度上升的程度是不同的。在較低的速度范圍內，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，溫度隨切削速度而上升的趨勢變緩。這一現象產生的原因在于，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理和刀具耐用度是生產過程中較受關注的問題。為磨鈍標準VB=0.3mm的情況下，刀具耐用度隨切削速度的變化關系。隨著銑削速度增加，刀具銑削時間下降較快。在200～250m/min 的速度范圍內時，刀具壽命下降很快;銑削速度繼續增加，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。

　　硬質合金刀具高速銑削鈦合金時的刀具磨損微觀形態(圖中黑色部分為未被完全腐蝕的鈦合金粘結物)。在高速銑削鈦合金時，鈦合金在刀具表面的粘結現象非常嚴重，由于工件與刀具接觸表面的溫度較高，且溫度梯度大，在鈦合金粘結和溫度梯度的綜合作用下，刀具將產生擴散磨損。一方面，粘結在刀具上的鈦合金中的Ti元素向刀具中擴散，形成粘結的TiC層，TiC粘結層脫落時，會帶走一部分刀具材料。另一方面，刀具中的C向高溫區擴散，Co向低溫區擴散，在刀具和工件的接觸面上形成富C貧Co區，造成WC顆粒間的粘結強度下降，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，長度可達到0.5mm，并且貫穿前刀面和后刀面。當裂紋擴展到一程度，會引起刀具切削刃的強度下降，從而使刀具材料被粘結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散磨損、粘結磨損和熱沖擊相互作用、相互促進的結果。

　　刀具耐用度與銑削速度的關系

　　高速銑削鈦合金的表面完整性

　　在50～300m/min的速度范圍內，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，也未發現晶粒沿刀刃運動方向被拉伸的現象。同時，無論是常規速度還是高速銑削TA15，所產生的加工硬化均不嚴重，銑削速度的提高并不會造成顯著的加工硬化。

　　對殘余應力的分析結果表明，在試驗所用各種切削速度下，已加工表面的殘余應力均為壓應力。壓應力的大小約在-300～-30MPa之間。隨切削速度的提高，殘余壓應力的絕對值有所降低;徑向切深和每齒進給量增加時，殘余壓應力的絕對值略有升高，但徑向切深或每齒進給量增加，可能導致刀具磨損加快、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的范圍。

　　為了更加準確和可靠地分析切削速度對加工零件表面質量和疲勞性能的影響，進一步對各種切削速度下銑削加工的鈦合金試樣進行了疲勞性能的對比試驗。疲勞試驗采用軸向應力控制，應力比R=0.1。800MPa和900MPa兩種應力水平下，試樣中值疲勞壽命的對比。在50～100m/min的切削速度范圍內，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，是擴散磨損、粘結磨損和熱沖擊相互作用、相互促進的結果。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值，金相組織變化和加工硬化均不明顯。對表層殘余應力的X射線衍射分析表明，殘余應力均為壓應力，其值在-300～-30MPa之間。對試樣的疲勞性能試驗表明，在一定范圍內提高切削速度有利于改善零件的表面完整性和疲勞性能。