切削用量對(duì)車削Ti6Al4V切削力影響的研究*

姜增輝 李玉朋 呂 楊

(沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110159)

鈦合金優(yōu)良的特性使其在航天、航空領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，但其切削溫度高、回彈量大及化學(xué)活性強(qiáng)，使得鈦合金成為典型的難加工材料［1－3］。應(yīng)用在航空工業(yè)上的鈦合金零件主要是薄壁結(jié)構(gòu)件，此類工件的形狀精度對(duì)于切削力很敏感。因此掌握切削力的特點(diǎn)對(duì)于合理選擇切削參數(shù)，提高加工質(zhì)量和效率有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鈦合金切削力進(jìn)行了大量研究，滿忠雷［4］等基于綠色切削的理念，用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了高速銑削鈦合金的單因素試驗(yàn)，得出了徑向切深、軸向切深、每齒進(jìn)給量和銑削速度對(duì)銑削力的影響規(guī)律。耿國(guó)盛［5］通過(guò)正交試驗(yàn)進(jìn)行了銑削力和銑刀磨損的測(cè)量，考察評(píng)估了β21s高強(qiáng)度鈦合金的銑削加工性，并通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化了該型鈦合金的銑削加工參數(shù)。齊德新［6］對(duì)銑削鈦合金 BT20的切削力進(jìn)行了研究，對(duì)刀具材料、合理幾何參數(shù)、最佳切削用量進(jìn)行優(yōu)選，在此基礎(chǔ)上研制出適用該材料的新型端面銑削刀具。以上研究切削用量對(duì)切削力的影響主要是從切削層面積出發(fā)，未提及基于刀具在基面內(nèi)受到的擠壓力來(lái)分析切削力的變化規(guī)律。本文擬采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行干車削加工鈦合金(Ti6Al4V)的試驗(yàn)，研究基于刀具在基面內(nèi)受到的擠壓力來(lái)分析切削力的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)條件

1.1 工件材料

試驗(yàn)材料為T(mén)i6Al4V鈦合金，主要力學(xué)性能見(jiàn)表1，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。采用工件長(zhǎng)度為334 mm，直徑127.4 mm。

表1 Ti－6Al－4V鈦合金力學(xué)性能

表2 Ti6Al4V鈦合金化學(xué)成分

1.2 刀具及測(cè)量設(shè)備

試驗(yàn)使用CAK6150數(shù)控車床，采用株洲鉆石刀具廠生產(chǎn)的機(jī)夾式外圓車刀，刀片型號(hào)為CNMG432，牌號(hào)為YBM251，配套刀桿型號(hào)為MCLNR2525M12。刀片幾何參數(shù)為:前角 －4°，后角6°，刀尖角80°，刀尖圓弧半徑R=0.8 mm，刀具主偏角95°，副偏角5°。圖1為試驗(yàn)所選用的刀片和刀桿。

試驗(yàn)采用瑞士KISTLER測(cè)力儀，如圖2所示。圖中被緊固在進(jìn)給機(jī)構(gòu)上的銀白色裝置為Dynamometer Type 9257B型平板式測(cè)力儀，最頂端黑色部分為 KISTLER9403型刀架，通過(guò)信號(hào)采集器測(cè)得的切削力電信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中可以通過(guò)DynoWare軟件控制切削力采集的起始終了時(shí)間，調(diào)節(jié)采樣頻率等，最終切削力數(shù)據(jù)文件記錄在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文采用單因素試驗(yàn)法，將硬質(zhì)合金刀具切削Ti6Al4V時(shí)切削速度、進(jìn)給量和切削深度對(duì)切削力的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。

圖3是v=170 m/min，ap=0.5 mm，f=0.2 mm/r時(shí)DynoWare軟件采集的三向力的變化曲線。

由圖3可以看出主切削力最大，背向力次之，進(jìn)給力最小，隨著切削時(shí)間的增加，主切削力小幅增大，背向力和進(jìn)給力持續(xù)增大，且三向力都存在高頻振動(dòng)。本文采集刀具未發(fā)生明顯磨損時(shí)的切削力作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖3中CD段切削力的平均值減去未切削時(shí)的漂移值(AB段的平均值)。

2.1 切削速度對(duì)切削力的影響

由圖4可以看出，在切削速度低時(shí)，背向力Fp和進(jìn)給力Ff較小，在切削速度超過(guò)94 m/min后，主切削力Fc有減小趨勢(shì)，而進(jìn)給力Ff和背向力Fp有增大趨勢(shì)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是在切削速度較低時(shí)，刀－屑面間不易粘結(jié)，摩擦系數(shù)小，切削變形小，故切削力小;隨著速度的提高，粘結(jié)逐漸嚴(yán)重，摩擦因數(shù)增大，切削變形大，主切削力增大;切削速度的進(jìn)一步提高，切削區(qū)溫度升高，使被切削工件發(fā)生一定程度的熱軟化，導(dǎo)致主切削力減小。同時(shí)由于溫度升高，工件回彈加劇，使得工件與后刀面和副后刀面的擠壓和摩擦加劇，最終反映為進(jìn)給力和背向力增大。

綜上所述，在切削Ti6Al4V鈦合金時(shí)切削速度對(duì)切削力的影響不大，在切削速度較高時(shí)，主切削力減小、進(jìn)給力和背向力增大。

2.2 進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

由圖5中可以看出，進(jìn)給力Ff的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯，說(shuō)明進(jìn)給量對(duì)進(jìn)給力的影響最小。

如圖1將單用戶數(shù)據(jù)分級(jí)為普通數(shù)據(jù)和機(jī)密數(shù)據(jù)，普通數(shù)據(jù)調(diào)制成大功率信號(hào)s(t)，機(jī)密數(shù)據(jù)調(diào)制成功率較小的機(jī)密信號(hào)w(t)，然后將大信號(hào)和小信號(hào)疊加發(fā)送，發(fā)送信號(hào)表示為

主切削力Fc和背向力Fp隨進(jìn)給量增加有增大趨勢(shì)，而且基本是呈線性增長(zhǎng)。這是因?yàn)殡S著進(jìn)給量的增加，切削面積成比例增大，導(dǎo)致主切削力成比例增大。

背向力Fp和進(jìn)給力Ff的變化規(guī)律可以通過(guò)基面內(nèi)刀具受到的擠壓力分析，如圖6所示。

實(shí)線區(qū)域?yàn)榈毒叱跏嘉恢?，虛線區(qū)域?yàn)楣ぜD(zhuǎn)動(dòng)一周后的刀具位置，陰影部分為切削層截面。

切削深度ap=0.5 mm，進(jìn)給量f為0.2 mm/r，在圖中切削刃表現(xiàn)為弧OA?？梢哉J(rèn)為切削層對(duì)刀尖的擠壓力作用在弧OA的中點(diǎn)上，作用方向指向刀尖圓弧的圓心。將Fn沿工件軸向和徑向分解可得合力與分力的比值關(guān)系為Fn∶Fy∶Fx=100∶83∶56，因此在此切削深度下，隨著進(jìn)給量的增加，進(jìn)給力和背向力都有增大趨勢(shì)，且背向力的增大趨勢(shì)比進(jìn)給力明顯。

分析得出，主切削力和背向力受進(jìn)給量的影響比較大，其變化趨勢(shì)基本是線性的，而進(jìn)給力Ff受進(jìn)給量的影響較小。

2.3 切削深度對(duì)切削力影響

由圖7中可以看出，主切削力Fc和進(jìn)給力Ff隨著切削深度的增加呈增大趨勢(shì)，而且與切削深度的關(guān)系基本是線性的，而背向力Fp隨著切削深度的增加先增大后減小。

增加切削深度會(huì)使得切削層面積增加，所以主切削力會(huì)隨著切削深度的增加而增大，而且在不考慮切削層變形程度的情況下，主切削力隨切削深度的變化基本是線性的，而背向力和進(jìn)給力的變化規(guī)律需要通過(guò)基面內(nèi)不同切削層對(duì)刀具的作用力來(lái)解釋。

圖8為切削深度由0.3～1.5 mm變化時(shí)，實(shí)際參與切削的切削刃長(zhǎng)度和工件對(duì)刀具擠壓力的示意圖。圓心為O。A為刀刃與工件已加工表面的相切點(diǎn)，B、C、D、E、F為五種切削深度下刀刃與工件未加工表面的切點(diǎn)。

由圖8中可以看出，不同的切削層對(duì)于刀具的擠壓力大小和方向均不同。當(dāng)切削深度ap=0.3 mm時(shí)，參與切削的切削刃為弧AB，此時(shí)工件對(duì)刀具的擠壓力為F1，作用點(diǎn)在弧AB的中點(diǎn)，方向指向刀尖圓弧的圓心O。將F1沿工件軸向和背向分解為F1x、F1y，由幾何關(guān)系可以算得α=25.7°，所以合力與分力大小的比值關(guān)系為F1∶F1x∶F1y=10∶4∶9，所以在切深為0.3 mm時(shí)，擠壓力在軸向的分力小于背向的分力，對(duì)應(yīng)圖7中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)給力Ff小于背向力Fp。

當(dāng)切削深度ap=0.6 mm時(shí)，參與切削的切削刃為弧AC，此時(shí)的刀具受到的擠壓力可以看作F1與F2的矢量和。由此可得，F(xiàn)2合力與分力大小的比值關(guān)系為F2∶FX2∶FY2=100∶89∶45。圖中弧AB與弧BC的長(zhǎng)度不等，所以在這兩段切削刃上刀具受到的擠壓力也不同，由幾何關(guān)系可以算得，弧AB=0.716 mm，弧BC=0.338 mm。假定刀具單位長(zhǎng)度切削刃上受到的擠壓力相同，設(shè)為b(N/mm)，則弧AC受到的擠壓力軸向分力Fx和背向分力Fy分別為:

得出:Fx=0.587b

Fy=0.797b

Fx＜Fy，所以在切深為0.6 mm時(shí)，擠壓力在軸向的分力小于背向的分力，對(duì)應(yīng)圖7中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)給力Ff小于背向力Fp。

當(dāng)切削深度ap=0.9 mm時(shí)，切削刃為弧AD。由幾何關(guān)系可以算得此時(shí)擠壓力在軸向的分力為0.887b，大于背向分力0.826b，對(duì)應(yīng)圖7中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)給力Ff大于背向力Fp。

當(dāng)切削深度超過(guò)0.869 7 mm后，主切削刃參與切削。DE、EF均為直線段，所以F4和F5的大小方向均相等。由圖8可見(jiàn)，這兩個(gè)力在背向的分力方向向上，所以當(dāng)切削深度超過(guò)0.869 7 mm后，背向力Fp減小，與圖7中變化趨勢(shì)一致。

分析可得，刀尖圓弧半徑是0.8 mm時(shí)，主切削力和進(jìn)給力隨著切削深度的增加有增長(zhǎng)趨勢(shì)，且基本是線性增長(zhǎng);背向力先隨切削深度增加而增大，切削深度超過(guò)0.869 7 mm呈減小趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

研究了Ti6Al4V車削過(guò)程中切削用量對(duì)切削力的影響規(guī)律，得到了以下結(jié)論:(1)在切削用量中，切削深度和進(jìn)給量對(duì)切削力的影響較大，切削速度對(duì)于切削力的影響較小。進(jìn)給量對(duì)背向力的影響最大，切削深度對(duì)進(jìn)給力的影響最大。(2)刀尖圓弧半徑?jīng)Q定實(shí)際參與切削的切削刃長(zhǎng)度，進(jìn)而影響切削過(guò)程中的進(jìn)給力和背向力的比例關(guān)系和變化規(guī)律。當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑0.8 mm時(shí)，進(jìn)給力隨著切削深度的增加有增大趨勢(shì);背向力首先隨切削深度增加而增大，當(dāng)切削深度超過(guò)0.869 7 mm時(shí)背向力呈下降趨勢(shì)。

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