摘要：開展了不同介質下鈦合金切屑變形的高速銑削試驗研究，分析比較了不同介質、不同銑削速度對切屑宏觀和微觀形貌的影響及其原因，得出了干銑削、空氣油霧和氮氣油霧介質下切屑變形的各自特點以及切屑變形隨速度而變化的規律。

　　鈦合金的切屑變形研究起始于二十世紀五十年代， 許多國外的著名學者如M.C.Shaw，N.H.Cook，O.W.Boston， M.E.Merchant， M.Field， R.Komanduri，H.Schulz 等人都做了大量的研究工作； 國內的一些高校和科研院所如西北工業大學、南京航空航天大學等也從事了相關的研究。

　　目前， 關于切屑變形的研究多集中在變化切削參數、刀具材料、刀具幾何尺寸等方面，特別是對低速切削狀態下的切屑變形規律的研究比較多。對于變化切削介質特別是采用干切削或無污染、少污染的切削介質時的切屑變形的高速切削試驗研究還很少。另外，關于切削變形規律的研究，以車削居多，而高速銑削方面的研究比較少。本文重點對干銑削、空氣油霧和氮氣油霧介質下高速銑削鈦合金時的切屑變形規律進行試驗研究。

　　1 試驗方案

　　鈦合金高速銑削的切屑變形試驗所用刀具和刀片如圖1所示。刀片為K40硬質合金刀片。刀具有關幾何參數如下：直徑25mm，齒數2；刀尖圓弧半徑rs：0mm 和1.6mm，前角：25°，后角：30°，主偏角：90°，修光刃長度：1.2mm，切削刃長度15mm。采用順銑的方式，分別在干銑削、空氣油霧和氮氣油霧介質下開展高速銑削試驗，分析研究銑削速度、銑削介質對鈦合金切屑變形的影響。銑削參數見表1。

　　佳工機電網\

　　圖1 試驗用刀片及銑削示意圖

切削參數	參數取值
銑削速度vc(m/min)	190	250	275	300
軸向切深ap(mm)	5		7
徑向切深ae(mm)	1
每齒進給fz(mm/r)	0.1
刀具懸長L(mm)

 

　　2 試驗結果分析

　　1) 切屑變形的宏觀分析

　　a.不同介質下的切屑形態

　　不同介質下高速銑削鈦合金時，由于刀具與切屑之間的摩擦狀況和散熱條件不同，切屑的形狀和表面狀況也有一定差異，如圖2所示。與干銑削相比，刀具與切屑之間的摩擦較大，銑削區溫度高，切屑流經前刀面后的變形較大，切屑表面的條形褶皺較多、平整性差。

　　(ap=7mm，vc=250m/min，rs=1.6mm)

　　圖2 不同介質下的切屑狀態

　　b. 不同銑削速度下的切屑形態

　　鈦合金的高速銑削試驗中，在不同的銑削速度的情況下所產生的切屑形態來分析是有很大的區別的，因此銑削速度對切屑宏觀形態的影響較大，圖3即為在不同的銑削速度下的切屑照片。

　　(ap=5mm，rs=0mm)

　　圖3 空氣油霧時不同銑削速度下的切屑形態

　　從上圖的分析可以得出隨著銑削速度的增加，切屑的形態越來越規則， 尤其是當銑削速度達到300m/mim 時，經過計算和測量，切屑的長寬和理論值很接近(鈦合金的變形系數很小幾乎等于1，甚至小于1)。產生不規則切屑的原因主要是速度越低，切屑和刀具接觸的時間越長， 切屑和刀具之間摩擦時間就較長， 因而速度較低時切屑的變形就比較明顯， 而速度越高時， 切屑受到刀具摩擦的時間就越短，切屑的變形就越不明顯；另外隨著銑削速度的增大，銑削溫度會逐漸升高，摩擦系數下降，切屑受到的摩擦力越小，因而切屑的變形就越小。

　　通過試驗，發現不同速度下高速銑削鈦合金時，干銑削和氮氣油霧介質時的切屑形貌也有相同的規律，在此不再分析。

　　2) 切屑變形的微觀分析

　　從圖4可以看出， 不同介質下切屑的表面微觀形態也有不同， 在氮氣油霧介質下的切屑上存在著一些微裂紋(圖4(c))，這些微裂紋主要分布在切屑的邊緣和端部， 微裂紋大多與切屑沿前刀面的滑移方向相同(圖5 的Ⅰ區)，少部分微裂紋與切屑滑移方向垂直(圖5 的Ⅱ區)。氮氣油霧介質下切屑產生微裂紋的原因可能是：一、氮氣油霧噴射到切削區，瞬間帶走了大量的熱量， 使切屑產生熱應力和熱裂紋；二、氮氣油霧中氮與切屑中的鈦發生化學反應，生成較脆的氮化鈦， 這些氮化鈦分布在切屑表面和內部，使切屑在強烈的擠壓和摩擦下易于脆裂。

　　(ap=7mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)

　　圖4 不同切削介質下切屑局部正面SEM 照片

　　(ap=5mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)

　　圖5 氮氣油霧介質下切屑裂紋區的SEM照片

　　由于空氣油霧也在切削中帶走大量的熱量，但其切屑不存在微裂紋(圖4(a))，所以第一種可能性是不成立的， 因此可以認為微裂紋是由于氮的存在造成的。切屑易于脆裂，就會減少切屑流經前刀面時對銑刀的沖擊，從而在一定程度上減少銑削力。

　　3) 切屑的金相分析

　　a. 金相照片的對比

　　鈦合金切屑在形成過程中， 材料的塑性變性較大， 由此而產生的加工硬化時切屑在剪切滑移面的應力增加，局部達到了材料的強度極限，此時，切屑只在上部被擠裂而下部仍舊相連， 亦即靠近前刀面的一面很光滑，另一面呈鋸齒狀，形成集中剪切滑移切屑。

　　圖6顯示出， 氮氣油霧下切屑的節狀化趨勢非常明顯，切屑底部的連接已變得很少，有時切屑節與節之間近乎分離。空氣油霧下切屑的節狀化趨勢雖然比干銑削時明顯，但不如氮氣油霧。

　　(ap=7mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)

　　圖6 不同介質下切屑的金相照片

　　造成氮氣油霧和空氣油霧下切屑節狀化比干銑削明顯的原因，是因為油霧的冷卻作用使切屑剪切滑移面的鈦合金塑性降低，切屑易于在沿滑移面處剪裂。氮氣油霧下由于氮與鈦在剪切滑移面上生成了脆的TiN，在高速下，高的剪切力使切屑的集中剪切滑移作用加強，從而使切屑的節狀特征更加突出。

　　b. 剪切角φ的比較

　　圖7為剪切角φ隨速度變化的曲線。該圖表明，隨著銑削速度的增加，空氣油霧、氮氣油霧和干銑削條件的鈦合金切屑剪切角都有增加的趨勢，也即切屑變形減小的趨勢， 特別是銑削速度超過275m/min 時，這種趨勢更加明顯。產生這種結果的主要原因有兩方面，一方面是因為變形時間縮短，鈦合金的變形減小； 另一方面是因為切屑速度對前刀面平均摩擦系數有影響， 高速切削時， 切削速度越大，前刀面平均摩擦系數越小。當切削速度很大時，由于切削溫度很高，切屑底層軟化，形成薄薄的微溶層，在這種情況下，切削速度的變化對切屑變形的影響已很小。

　　圖7 銑削速度對剪切角的影響(r=1.6)

　　此外，在相同速度下，氮氣油霧下切屑的剪切角大于空氣油霧。其原因是由于氮氣介質下的切屑的剪切滑移面上有氮化鈦存在， 剪切滑移面的塑性降低， 切屑在集中剪切滑移過程中更容易發生塑性失穩，因而切屑的變形減少，剪切角f減小。

　　3 結論

　　通過不同介質下鈦合金切屑變形的高速銑削試驗研究，可以得出以下幾點結論：

　　1) 干銑削時，刀具與切屑之間的摩擦較大，銑削區溫度高，切屑流經前刀面后的變形較大，切屑表面的條形褶皺較多、平整性差。

　　2) 隨著銑削速度的增加，切屑的形態越來越規則。

　　3) 不同介質下切屑的表面微觀形態也有不同，空氣油霧下切屑的節狀化比和干銑削時明顯， 但不如氮氣油霧。在氮氣油霧介質下的切屑上存在著較多微裂紋、切屑更容易脆斷。

　　4) 在相同速度下， 氮氣油霧和空氣油霧下的切屑剪切角f大于干銑削和空氣油霧，即切屑變形系數低于干銑削和空氣油霧，空氣油霧剪切角f大于干銑削。