車(chē)削鈦合金切削參數(shù)對(duì)切屑形態(tài)的影響

楊梓荊，金成哲，張瑩瑩

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

鈦合金材料的導(dǎo)熱性差，化學(xué)活性較高，彈性模量小，且具有良好的抗彈性能和結(jié)構(gòu)性能，目前已用于陸軍地面武器系統(tǒng)，以減輕這些裝備的質(zhì)量[1]。因此，鈦合金在軍工方面具有巨大的應(yīng)用前景。另一方面，在鈦合金的切削加工過(guò)程中，切屑形態(tài)往往是影響切削加工過(guò)程的關(guān)鍵因素。由于工件和刀具材料、刀具幾何角度、切削用量等影響因素的不同，切削過(guò)程中產(chǎn)生的切屑也各不相同。國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛對(duì)切屑形態(tài)展開(kāi)了研究。賴(lài)曲芳等通過(guò)鈦合金Ti6Al4V的車(chē)削加工試驗(yàn)分析出鋸齒形切屑的鋸齒間距隨著進(jìn)給速度的增加而增加，刀具的前角對(duì)剪切帶夾角的影響很小[2]。張釗等對(duì)鈦合金進(jìn)行車(chē)削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，切削參數(shù)對(duì)切屑形態(tài)有影響，而且切屑形態(tài)都是鋸齒形切屑[3]。龐俊忠等對(duì)45鋼進(jìn)行銑削試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)工件的材料特性、切削速度對(duì)切屑形態(tài)有影響[4]。朱雨恩等對(duì)鈦合金TC4進(jìn)行車(chē)削加工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋸齒形切屑的變形主要在剪切帶內(nèi)部，前角和進(jìn)給速度對(duì)剪切帶的結(jié)構(gòu)影響很大[5]。Bai W等提出了一種切屑形成的分析預(yù)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，剪切角和切屑切分頻率與試驗(yàn)結(jié)果剛好吻合[6]。D. Das等優(yōu)化了切削參數(shù)對(duì)材料去除率和切屑減少系數(shù)的影響，建立了線性回歸模型[7]。Sun S等通過(guò)對(duì)Ti6Al4V的干車(chē)削試驗(yàn)，得出切屑中沒(méi)變形表面的長(zhǎng)度是隨著進(jìn)給量的增加而變長(zhǎng)的，主要原因是由于材料的熱軟化性質(zhì)[8]。

選擇合理的切削參數(shù)和刀具參數(shù)，可以改善切屑形態(tài)，從而提高加工精度和表面質(zhì)量，減少刀具磨損，因此，本文針對(duì)鈦合金的車(chē)削加工產(chǎn)生的切屑形態(tài)進(jìn)行較為深入的研究，為鈦合金的切削加工應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 車(chē)削加工仿真

1.1 建立有限元模型

刀具材料選擇的是硬質(zhì)合金，刀具前角選擇6°和21°，刀具后角選擇7°。工件材料選擇的是鈦合金TC4，長(zhǎng)為10 mm，寬為1 mm。本文中的仿真長(zhǎng)度均采用mm級(jí)，其他單位可自行推導(dǎo)出來(lái)。刀具和工件的物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 刀具和工件的物理性能參數(shù)

首先根據(jù)材料的特性選擇本構(gòu)模型的方程。目前描述材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)的本構(gòu)模型有3種：Johnson-Cook本構(gòu)方程[9]、Zerilli-Armstrong本構(gòu)方程[10]和Bodner-Parton本構(gòu)方程[11]。其中Zerilli-Armstrong本構(gòu)方程常用于立方金屬材料，主要表達(dá)與晶體的結(jié)構(gòu)，適用于描述純金屬的本構(gòu)關(guān)系。Bodner-Parton本構(gòu)方程主要用來(lái)描述形式較為復(fù)雜的無(wú)機(jī)凝膠材料。而Johnson-Cook本構(gòu)方程主要用于材料的應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度變形等分析。因此，本文采用Johnson-Cook本構(gòu)方程來(lái)描述鈦合金材料。Johnson-Cook本構(gòu)方程如下：

(1)

表2 TC4的Johnson-Cook材料本構(gòu)模型參數(shù)

表3 TC4的Johnson-Cook材料損傷參數(shù)

本次仿真采用的是二維仿真模型，這樣可以更直觀地看到切屑形態(tài)的變化。根據(jù)最小進(jìn)給量確定加工區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.015 mm，非加工區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.15 mm。刀具的主要加工區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.015 mm，其他區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.15 mm。工件和刀具的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 工件和刀具的網(wǎng)格劃分

1.2 仿真結(jié)果分析

通過(guò)在仿真中觀察車(chē)削加工過(guò)程中工件的被切削材料從受到擠壓、發(fā)生剪切滑移、出現(xiàn)應(yīng)力集中，到最后形成切屑的過(guò)程。分析不同切削參數(shù)、不同刀具角度下的切削特性規(guī)律。

當(dāng)切削鈦合金時(shí)切削條件到達(dá)某一特定點(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生絕熱剪切帶，從而出現(xiàn)鋸齒形切屑。通過(guò)仿真分析車(chē)削鈦合金時(shí)鋸齒形切屑的產(chǎn)生過(guò)程(見(jiàn)圖2)。最初，刀具前刀面和工件之間會(huì)出現(xiàn)摩擦和擠壓現(xiàn)象，切削區(qū)溫度隨之上升；刀具不斷前進(jìn)，擠壓剪切效應(yīng)更加明顯，從而產(chǎn)生塑性變形。隨著應(yīng)力集中不斷加大，工件的熱軟化比加工硬化更高，使得切削平面受到擠壓變形，并出現(xiàn)局部剪切現(xiàn)象，而主剪切區(qū)，切屑呈楔形向上位移，從而形成鋸齒狀切屑。

a) 發(fā)生剪切滑移

b) 出現(xiàn)應(yīng)力集中

c) 形成切屑

2 車(chē)削加工試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

車(chē)削加工試驗(yàn)選用的設(shè)備為CA6140普通車(chē)床(見(jiàn)圖3)。試驗(yàn)刀具選用的是涂層硬質(zhì)合金刀具，刀桿牌號(hào)分別為MCLNR2525M12、SCLCR2525M09，刀片牌號(hào)為CNMG120404-EF、CCMT09T304-EM、CCGX09T304-LH，刀片的幾何角度見(jiàn)表4。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)車(chē)床圖

表4 刀片的幾何角度

本試驗(yàn)選擇的工件材料為鈦合金TC4退火態(tài)棒材。鈦合金TC4的化學(xué)成分及材料性能參數(shù)見(jiàn)表5和表6。棒材總長(zhǎng)度為200 mm，直徑為120 mm。

表5 鈦合金TC4的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表6 鈦合金TC4的性能參數(shù)

本試驗(yàn)采用的刀具參數(shù)和切削參數(shù)見(jiàn)表7。試驗(yàn)通過(guò)對(duì)外圓進(jìn)行連續(xù)切削，每次切削的長(zhǎng)度為5 mm，通過(guò)在不同的切削參數(shù)下產(chǎn)生的切屑形態(tài)，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行分析，實(shí)際加工中根據(jù)進(jìn)給量變化調(diào)整加工順序，減少裝卡次數(shù)，提高試驗(yàn)效率和加工精度。

表7 車(chē)削加工試驗(yàn)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將采集的切屑通過(guò)VHX-1000C超景深三維顯微放大鏡進(jìn)行宏觀觀察，宏觀切屑圖如圖4所示。當(dāng)?shù)毒咔邢鲄?shù)為A1～A3時(shí)，切屑形態(tài)從卷曲條狀切屑轉(zhuǎn)變到螺距較小、卷曲半徑也小的螺旋狀切屑，最后轉(zhuǎn)變到螺距變大、卷曲半徑也變大的螺旋狀切屑；當(dāng)?shù)毒咔邢鲄?shù)為B1～B3時(shí)，切屑形狀從螺距較小、卷曲半徑也小的螺旋狀切屑轉(zhuǎn)變到螺距變大、卷曲半徑也變大的螺旋狀切屑，最后轉(zhuǎn)變到卷曲條狀切屑，卷曲半徑越來(lái)越大；當(dāng)?shù)毒咔邢鲄?shù)為C1～C3時(shí)，切屑的整體形態(tài)與之前相比發(fā)生了很大變化，為聚在一起的螺旋狀切屑，纏繞程度從大到小。通過(guò)對(duì)每組切屑的觀察看出，切屑的外側(cè)表面有裂紋且光滑，內(nèi)側(cè)表面呈凹凸不平的鋸齒狀。

a) 刀具切削參數(shù)：A1vc=60 m/min，f=0.15 mm/r

d) 刀具切削參數(shù)：B1vc=60 m/min，f=0.20 mm/r

g) 刀具切削參數(shù)：C1vc=60 m/min，f=0.25 mm/r

對(duì)每組切屑的微觀形態(tài)分析，進(jìn)行金相壓制試驗(yàn)。再通過(guò)砂輪機(jī)將鑲嵌好的切屑樣本觀察面磨平。先粗磨后細(xì)磨，細(xì)磨以后要使用拋光機(jī)進(jìn)行拋光。鑲嵌試樣拋光完成后，要用吹風(fēng)機(jī)吹干直至干燥，并用酒精擦拭觀察面。

3 仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析

通過(guò)車(chē)削加工仿真模擬產(chǎn)生的切屑，和采用Zeiss倒置熒光顯微鏡觀察的切屑進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖5)。

a) 刀具切削參數(shù)：A1

b) 刀具切削參數(shù)：A2

c) 刀具切削參數(shù)：A3

d) 刀具切削參數(shù)：B1

e) 刀具切削參數(shù)：B2

f) 刀具切削參數(shù)：B3

g) 刀具切削參數(shù)：C1

h) 刀具切削參數(shù)：C2

i) 刀具切削參數(shù)：C3

當(dāng)?shù)毒咔邢鲄?shù)為A1～A3時(shí)，刀具前角為6°，后角為0°，切削速度v和進(jìn)給量f的順序依次是從小到大。切屑形態(tài)中鋸齒狀形狀顯著但不均勻，剪切帶處也出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。當(dāng)速度為60 m/min、進(jìn)給量為0.15 mm/r時(shí)，鋸齒狀形狀較為均勻，速度和進(jìn)給量越大，鋸齒狀越不均勻，并伴隨斷裂現(xiàn)象；當(dāng)速度為150 m/min、進(jìn)給量為0.25 mm/r時(shí)，切屑形態(tài)撕裂性明顯，鋸齒形和波浪形交替出現(xiàn)，且切屑更厚一些。

當(dāng)?shù)毒咔邢鲄?shù)為B1～B3時(shí)，刀具前角為6°，后角為7°，切削速度v的順序依次是從小到大，而進(jìn)給量f的順序則是從中到大再到小。切屑形態(tài)中齒狀形狀非常顯著且波動(dòng)很大，剪切帶沒(méi)有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。當(dāng)速度為94 m/min、進(jìn)給量為0.25 mm/r時(shí)，鋸齒狀形狀最為顯著均勻，且切屑更厚一些，此時(shí)的進(jìn)給量最大。

當(dāng)?shù)毒咔邢鲄?shù)為C1～C3時(shí)，刀具前角為21°，后角為7°，切削速度v的順序是從小到大，進(jìn)給量f的順序是從大到小再到中。切屑形態(tài)中齒狀形狀較為緩和，有些地方出現(xiàn)波動(dòng)，剪切帶也沒(méi)有出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。當(dāng)速度為94 m/min、進(jìn)給量為0.15 mm/r時(shí)，切屑形態(tài)最為順滑，且切屑薄一些，此時(shí)的進(jìn)給量是最小的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)切削速度對(duì)切屑形態(tài)的影響較小，但是切削速度越高，鋸齒形切屑形態(tài)越平緩。進(jìn)給量對(duì)切屑形態(tài)的影響較大，進(jìn)給量越小，鋸齒形切屑形態(tài)越平緩。

2)刀具前角對(duì)切屑形態(tài)的影響最大，前角越大，鋸齒形切屑形態(tài)越平緩。刀具的后角對(duì)切屑的形態(tài)影響較小，但是后角越大，鋸齒形切屑形態(tài)越平緩。

車(chē)削加工鈦合金材料時(shí)，為了提高加工精度和表面質(zhì)量，改善切屑形態(tài)，應(yīng)該選擇較大的刀具前角和后角、適中的切削速度以及較小的進(jìn)給量。