摘要：開展了不同介質(zhì)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(zhì)、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(zhì)下切屑變形的各自特點以及切屑變形隨速度而變化的規(guī)律。

　　鈦合金的切屑變形研究起始于二十世紀(jì)五十年代， 許多國外的著名學(xué)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(nèi)的一些高校和科研院所如西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等也從事了相關(guān)的研究。

　　目前， 關(guān)于切屑變形的研究多集中在變化切削參數(shù)、刀具材料、刀具幾何尺寸等方面，特別是對低速切削狀態(tài)下的切屑變形規(guī)律的研究比較多。對于變化切削介質(zhì)特別是采用干切削或無污染、少污染的切削介質(zhì)時的切屑變形的高速切削試驗研究還很少。另外，關(guān)于切削變形規(guī)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(zhì)下高速銑削鈦合金時的切屑變形規(guī)律進(jìn)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(zhì)合金刀片。刀具有關(guān)幾何參數(shù)如下：直徑25mm，齒數(shù)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(zhì)下開展高速銑削試驗，分析研究銑削速度、銑削介質(zhì)對鈦合金切屑變形的影響。銑削參數(shù)見表1。

　　佳工機(jī)電網(wǎng)\

　　圖1 試驗用刀片及銑削示意圖

切削參數(shù)	參數(shù)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(jìn)給fz(mm/r)	0.1
刀具懸長L(mm)

 

　　2 試驗結(jié)果分析

　　1) 切屑變形的宏觀分析

　　a.不同介質(zhì)下的切屑形態(tài)

　　不同介質(zhì)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(qū)溫度高，切屑流經(jīng)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(zhì)下的切屑狀態(tài)

　　b. 不同銑削速度下的切屑形態(tài)

　　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(chǎn)生的切屑形態(tài)來分析是有很大的區(qū)別的，因此銑削速度對切屑宏觀形態(tài)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(tài)

　　從上圖的分析可以得出隨著銑削速度的增加，切屑的形態(tài)越來越規(guī)則， 尤其是當(dāng)銑削速度達(dá)到300m/mim 時，經(jīng)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(shù)很小幾乎等于1，甚至小于1)。產(chǎn)生不規(guī)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?xí)r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(shù)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(fā)現(xiàn)不同速度下高速銑削鈦合金時，干銑削和氮氣油霧介質(zhì)時的切屑形貌也有相同的規(guī)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(zhì)下切屑的表面微觀形態(tài)也有不同， 在氮氣油霧介質(zhì)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(qū))，少部分微裂紋與切屑滑移方向垂直(圖5 的Ⅱ區(qū))。氮氣油霧介質(zhì)下切屑產(chǎn)生微裂紋的原因可能是：一、氮氣油霧噴射到切削區(qū)，瞬間帶走了大量的熱量， 使切屑產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱裂紋；二、氮氣油霧中氮與切屑中的鈦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成較脆的氮化鈦， 這些氮化鈦分布在切屑表面和內(nèi)部，使切屑在強(qiáng)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(zhì)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(zhì)下切屑裂紋區(qū)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(rèn)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(jīng)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(chǎn)生的加工硬化時切屑在剪切滑移面的應(yīng)力增加，局部達(dá)到了材料的強(qiáng)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(jié)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(jié)與節(jié)之間近乎分離。空氣油霧下切屑的節(jié)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(zhì)下切屑的金相照片

　　造成氮氣油霧和空氣油霧下切屑節(jié)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(qiáng)，從而使切屑的節(jié)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(chǎn)生這種結(jié)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(shù)有影響， 高速切削時， 切削速度越大，前刀面平均摩擦系數(shù)越小。當(dāng)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(zhì)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(fā)生塑性失穩(wěn)，因而切屑的變形減少，剪切角f減小。

　　3 結(jié)論

　　通過不同介質(zhì)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(jié)論：

　　1) 干銑削時，刀具與切屑之間的摩擦較大，銑削區(qū)溫度高，切屑流經(jīng)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(tài)越來越規(guī)則。

　　3) 不同介質(zhì)下切屑的表面微觀形態(tài)也有不同，空氣油霧下切屑的節(jié)狀化比和干銑削時明顯， 但不如氮氣油霧。在氮氣油霧介質(zhì)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(shù)低于干銑削和空氣油霧，空氣油霧剪切角f大于干銑削。