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，采用夾絲半人工熱電偶方法對銑削溫度進(jìn)行測量。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。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(yàn)和理論表明：一方面隨著切削速度的上升，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;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(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(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(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)。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(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。

　　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)，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(shí)，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。

　　對殘余應(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)力的絕對值有所降低;徑向切深和每齒進(jìn)給量增加時(shí)，殘余壓應(yīng)力的絕對值略有升高，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?/div>