胡木林

摘 要 鈦合金因具有一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于航空、海洋、軍工、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。高速切削因具有切削效率高、加工質(zhì)量高、經(jīng)濟(jì)性良好等特點(diǎn)，成為先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。但在高速切削鈦合金過程中會(huì)引起刀具磨損加快、切削力矛盾變化等一系列問題，通過理論分析與仿真試驗(yàn)對(duì)比，深入研究鈦合金切削時(shí)切削速度對(duì)切削力影響，提高鈦合金的切削加工效率和加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 鈦合金；切削速度；切削力

中圖分類號(hào)：TG146.2+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）04-0138-04

Abstract With the characteristics of high efficiency， high quality and

good economic performance， high speed cutting is becoming an im-portant direction of advanced manufacturing technology. However， cutting titanium alloy with high speed will cause a series of problems，

like accelerating cutting-tool wear， paradoxical change of cutting force and etc. Through theory analysis and simulated tests， the author

deeply studied the impact of cutting speed on cutting force when cutting titanium alloy in order to raise processing efficiency and quality.

Key words titanium alloy； cutting speed； cutting force

1 引言

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬。鈦合金因具有比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）高、高溫強(qiáng)度好（耐熱性能好）、抗腐蝕性好、耐低溫性好、導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小等一系列特點(diǎn)，而被廣泛用于航空、海洋、軍工、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。在我國，鈦資源比較豐富，但鈦合金的切削條件要求非常高，尤其是對(duì)切削速度特別敏感，不恰當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)會(huì)引起極大的切削力，造成刀具急劇磨損，影響刀具使用壽命。

2 鈦合金分類

鈦是同素異形體，在常溫下鈦合金有3種基本組織，通過向純鈦中添加鋁、鉬、釩、鉻等其他合金元素，改變其相組織成分與相變溫度而得到不同組織的鈦合金（表1）。其中，α鈦合金的切削加工性最好，α+β鈦合金次之，β鈦合金切削加工性最差。因此，在鈦合金的使用中，α與α+β鈦合金應(yīng)用較為廣泛，尤其是以典型的Ti-Al-V系列馬氏體α+β兩相鈦合金Ti6A14V應(yīng)用最為普遍，幾乎占鈦合金使用總量50%以上。

3 鈦合金的切削加工性

材料加工的難易程度取決于材料多種特性。鈦合金是一種難以加工的材料，其切削加工性很差，當(dāng)硬度大于HB350

時(shí)難于切削，硬度小于HB300時(shí)容易出現(xiàn)粘刀。綜合影響鈦合金切削加工性的因素如下。

變形系數(shù)小 切屑沿著前刀面滑動(dòng)產(chǎn)生大的摩擦阻力，刀具磨損加劇。

切削區(qū)溫度高 鈦合金材料導(dǎo)熱系數(shù)小，散熱性能差，刀具和工件、刀具和切屑之間摩擦產(chǎn)生的切削熱將集中在切削刃附近，極易造成工件燒灼，刀具軟化硬度下降，刀具磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象。

彈性模量小 鈦合金的彈性模量小，導(dǎo)致在切削過程中，在切削力的作用下產(chǎn)生較大的彈性恢復(fù)，回彈量達(dá)到一定程度后，會(huì)使刀具的切削后角減小，增大后刀面與工件加工表面之間的摩擦。

刀尖應(yīng)力大 通常鈦合金材料的切削應(yīng)力是中碳鋼的1.3倍，容易造成刀具崩刃、磨損。

化學(xué)活性大 在一定的切削溫度下，鈦合金很容易吸收空氣中的O、N、H等元素，形成氧化鈦、氮化鈦、氫化鈦等硬皮，使表面硬化和變脆，塑性變低，加工硬化程度變高，刀具磨損加劇。

粘結(jié)磨損明顯 在高溫條件下，鈦合金元素容易與刀具材料親和、擴(kuò)散，導(dǎo)致產(chǎn)生粘結(jié)磨損。

4 切削速度vc對(duì)切削力的影響原理

金屬切削時(shí)刀具前刀面的力通過切屑傳遞給剪切面上，剪切面上變形需要的力由兩部分構(gòu)成：

一是剪切力Fs；

二是切削層材料沿著剪切面滑移造成動(dòng)能改變所需要的附加力Fm（達(dá)朗伯慣性力），如圖1所示。

其中：

總切削力F：

在切削速度vc小于1500 m/min時(shí)，F(xiàn)m相比Fs小得多，可以忽略不計(jì)的情況下簡寫為：

把式4-1代入式4-4得：

式中，F(xiàn)f為后刀面的摩擦力，Ss為剪切面上的剪應(yīng)力，Ac為切削層截面積。

車削Ac=f.ap，代入后可得切削力為：

由上述可知，當(dāng)?shù)毒咔敖铅?、工件材料ρ、切削層截面積Ac一定時(shí)，φ、β成為剪切力Fs和切屑慣性力Fm的決定性影響因素，而φ、β的大小又直接受切削速度vc影響（剪切角φ與切削速度vc之間的關(guān)系如圖2所示）。

當(dāng)切削速度vc低時(shí)，開始剪切變形面為OA，結(jié)束剪切變形面為OM，剪切角為φ；但當(dāng)切削速度vc逐漸升高，達(dá)到高速切削時(shí)，切屑流動(dòng)速率大于材料塑性變形的速率，切屑尚未在初始剪切變形面OA上明顯形變就已到達(dá)OA′線上，終止于終剪切面變?yōu)镺M′，剪切角變?yōu)棣铡?，?dāng)前第一變形區(qū)后移內(nèi)使剪切角φ增大（圖中φ′>φ）。前刀面的平均摩擦系數(shù)μ也受切削速度νc的影響，在高速切削區(qū)，νc變大會(huì)直接很快提高切削區(qū)溫度，高溫致使金屬材料軟化，剪切塑性變形容易，μ減?。Σ料禂?shù)μ=tanβ），則摩擦角β減小。

麥錢特（Merchant）剪切角公式：

考慮慣性力時(shí)的高速切削方程式：

變形系數(shù)ξ方程：

隨著切削速度vc提高，剪切角φ增大，切屑變形系數(shù)ξ減小，從理論上分析，高速切削可以改善材料的切削加工性。但由式4-1、4-2可知，當(dāng)其他條件不變時(shí)，隨著切削速度νc的增加，剪切角φ增大，剪切力Fs在減小，但切削慣性力Fm卻在增加。顯然，切削速度νc對(duì)切削力的影響是綜合剪切力Fs與切屑慣性力Fm正反矛盾的結(jié)果。

5 車削鈦合金時(shí)切削速度影響切削力實(shí)驗(yàn)仿真分析

實(shí)驗(yàn)軟件采用Deform 3D Ver6.1。Deform 3D是SFTC（Scientific Forming Technologies Corporation）公司的有限元工藝分析軟件，該軟件通過成熟的數(shù)學(xué)理論和分析模型，廣泛用于零件制造（熱、冷、溫成形，熱處理，機(jī)加工）等金屬成形工藝設(shè)計(jì)過程的模擬，應(yīng)用效果成熟可靠。

參數(shù)設(shè)置 選擇機(jī)械加工類型為車削，單位標(biāo)準(zhǔn)SI；工作環(huán)境溫度20 ℃，冷卻物的熱傳導(dǎo)率為0.02 N/s·mm·℃；平均摩擦系數(shù)0.6，熱傳導(dǎo)系數(shù)0.4 N/s·mm·℃ 。

刀具的設(shè)定 選擇刀具類型為第二類標(biāo)準(zhǔn)55°菱形DNMA432刀片，法向后角為0°，刀尖圓弧半徑為0.2 mm，材料為Co-WC類YG硬質(zhì)合金，網(wǎng)格數(shù)35 000個(gè)。

工件的設(shè)定 選擇Ti6Al4V為工件加工材料，切削外圓模式，毛坯直徑Φ50 mm，工件表面劃分網(wǎng)格數(shù)60 000個(gè)。

模擬條件 存儲(chǔ)增量為每25步存儲(chǔ)一次，總共計(jì)算步數(shù)1000步，切削終止角度為20°，刀具磨損系數(shù)a=0.000 001，

b=850。

切削速度vc對(duì)切削力影響分析 設(shè)定被吃刀量ap=0.8 mm、

進(jìn)給量f=0.3 mm/r進(jìn)行改變切削速度仿真切削模擬，分別提取切削速度vc為60 m/min、100 m/min、140 m/min、180 m/min、200 m/min、220 m/min、240 m/min、260 m/min時(shí)主切削力Fy、進(jìn)給力Fx、吃刀抗力Fz的數(shù)值。部分?jǐn)?shù)值如圖3所示（vc=100 m/min，節(jié)選部分）。

模擬加工后，計(jì)算在300個(gè)計(jì)算步數(shù)內(nèi)的不同切削速度時(shí)Fy、Fx、Fz的平均值，畫出以切削速度vc為自變量，F(xiàn)y、Fx、Fz各個(gè)切削分力平均值為函數(shù)的變化曲線圖，如圖4所示。從圖4可知，隨著vc的增加，主切削力Fy在不斷變化。當(dāng)vc達(dá)到60 m/min時(shí)，主切削力Fy達(dá)到最大值；當(dāng)vc繼續(xù)增加到100 m/min時(shí)，主切削力Fy反而減到最??；當(dāng)vc超過100 m/min時(shí)，F(xiàn)y、Fx、Fz在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，vc的增大對(duì)切削力的影響較小，總體趨于穩(wěn)定。在低速切削范圍內(nèi)，隨著切削速度vc的不斷增加，切削溫度上升，刀具磨損加劇，加工硬化嚴(yán)重，切削力逐漸上升，切削力波動(dòng)較大。

隨著切削速度vc的不斷增加，尤其是當(dāng)vc>100 m/min

時(shí)，切削溫度較高，加工軟化因素占主導(dǎo)，提高了刀具與工件的相對(duì)硬度比，導(dǎo)致切削力下降。根據(jù)理論公式4-7、4-9分析也可得，隨著切削速度νc的上升，剪切角φ增大，摩擦系數(shù)μ減小，變形系數(shù)ξ減小，剪切力下降，因而切削力減??；但根據(jù)公式4-2，在高速切削時(shí)隨著切削速度vc的不斷增加，切屑慣性力Fm會(huì)逐漸增大，此消彼長。因此，總體來說，切削力的數(shù)值基本穩(wěn)定。

6 總結(jié)

鈦合金切削過程中，切削速度vc影響切削力的過程有正反矛盾的比較復(fù)雜的兩方面，是剪切力Fs與切屑慣性力Fm的綜合作用結(jié)果。在高速切削時(shí)，高的切削溫度引起金屬材料軟化，剪切角隨著摩擦系數(shù)的降低而增大，剪切力Fs隨著剪切角增大而減?。坏邢魉俣仍礁?，切屑慣性力Fm增加，相對(duì)于剪切力而言，其增加的幅度可以忽略不計(jì)，故在高速切削范圍內(nèi)，切削力隨切削速度vc的提高進(jìn)入穩(wěn)態(tài)切削后，切削力總體趨于穩(wěn)定或者有下降趨勢(shì)。

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