TA15和TC4切屑形態(tài)對刀具振動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

范鵬飛，李金泉，周培培

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

TA15和TC4切屑形態(tài)對刀具振動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

范鵬飛，李金泉，周培培

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

對TA15和TC4兩種鈦合金材料進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用公式量化材料的絕熱剪切敏感特性.研究了兩種材料絕熱剪切敏感特性對切屑鋸齒化程度和切削中刀具振動(dòng)的影響.研究證明：兩種材料在高速切削下產(chǎn)生了鋸齒形切屑，而且切屑的鋸齒化程度對刀具的振動(dòng)有明顯影響；絕熱剪切敏感性大的材料，鋸齒形切屑鋸齒化程度和刀具振動(dòng)加速度均較大.

TA15鈦合金；TC4鈦合金；切削振動(dòng)；絕熱剪切敏感性

鈦合金具有比強(qiáng)度高、高溫強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、汽車制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.鈦合金具有彈性模量小、導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)活性高等特點(diǎn)，導(dǎo)致加工過程的刀具磨損和振動(dòng)較大，對生產(chǎn)效率和工件表面粗糙度有不利影響[1].切屑形態(tài)對切削過程的排屑、刀具磨損、工件表面質(zhì)量具有重要的影響,它是進(jìn)行工件材料可切削加工性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)[2].鋸齒形切屑是高速切削中切屑形態(tài)的重要特征.鋸齒形切屑的形成使加工中切屑的斷屑變得容易.切屑鋸齒化會(huì)造成切削力波動(dòng)，切削力的波動(dòng)會(huì)引起刀具系統(tǒng)高頻振動(dòng)，導(dǎo)致工件已加工表面的質(zhì)量惡化,同時(shí)會(huì)加劇刀具磨損或破損[3].因此，分析研究切屑的鋸齒化程度及其與刀具振動(dòng)特性的關(guān)系具有重要的意義.Komanduri R等[4-5]和Shaw M C[6]等分別提出了絕熱剪切理論和周期脆性斷裂理論.Ekinovice等簡化了鋸齒形切屑模型，用Gs表征鋸齒化程度[7].李國和提出了鋸齒化臨界條件第一變形區(qū)[8].

目前，絕熱剪切理論應(yīng)用較廣.絕熱剪切是金屬在高應(yīng)變條件下產(chǎn)生的一種常見現(xiàn)象.鈦合金的絕熱剪切敏感性較強(qiáng)，在高應(yīng)變條件下更容易出現(xiàn)絕熱剪切現(xiàn)象，產(chǎn)生鋸齒形切屑[9].本文選用不同材料和相同切削用量，研究切屑形態(tài)與刀具振動(dòng)加速度的關(guān)系.

1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 材料和刀具

(1)實(shí)驗(yàn)材料：TA15和TC4的圓柱形棒料，直徑為100 mm，長度為300 mm.其材料成分和性能參數(shù)分別見表1和表2.

表1 材料成分 wt%

表2 材料性能參數(shù)

(2)刀具參數(shù):刀桿型號(hào)為SCLCR2525M09；刀片為山特維克公司生產(chǎn)的CCMT09T308-MF 1105牌號(hào)的PVD涂層刀片；刀具主偏角kr=95°，刃傾角λs=0°，前角γ0=0°，后角α0=7°；刀尖圓弧半徑rz=0.8 mm.

1.2 實(shí)驗(yàn)加工設(shè)備和測量設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用沈陽第一機(jī)床集團(tuán)公司生產(chǎn)的CA6140A普通機(jī)床；檢測振動(dòng)使用美國PCB公司生產(chǎn)的加速度傳感器，其采集卡型號(hào)為NI9234；檢測振動(dòng)加速度使用的軟件為北京東方振動(dòng)噪聲研究所的DASP軟件.

2 實(shí)驗(yàn)方法

由于運(yùn)用外圓連續(xù)的干切削，刀桿徑向振動(dòng)效果不明顯，所以不進(jìn)行測量，只測量刀具的兩個(gè)方向.兩個(gè)傳感器分別安裝在刀桿z方向(對應(yīng)于工件的軸向)和y方向(對應(yīng)于工件的切向)，對不同方向的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集.采用單因素實(shí)驗(yàn)配置多組切削用量，并合理安排各組切削用量，使振動(dòng)數(shù)據(jù)均勻分布，以便于下一步分析.選取典型且相同切削用量的切屑，制備金相試樣；然后，依據(jù)切屑鋸齒化程度計(jì)算公式(Gs=(h1-h2)/h1)，算出切削中每個(gè)齒的鋸齒化程度，求和取平均值，即得本組切削用量下切屑的鋸齒化程度(圖1)；最后，比較材料在相同切削用量下鋸齒形切屑的鋸齒化程度，編寫出單因素實(shí)驗(yàn)表(表3).

圖1 兩種切屑相同切削用量的鋸齒化程度對比

表3 單因素實(shí)驗(yàn)振動(dòng)加速度和切屑鋸齒化程度

注：鋸齒化程度為無量綱量.

3 結(jié)果分析

在表3中序號(hào)1和序號(hào)2對應(yīng)的兩組切削用量下加工時(shí)，由于切削速度太小，切屑形態(tài)呈帶狀，未出現(xiàn)鋸齒形;序號(hào)3至序號(hào)9對應(yīng)的7組切削用量下加工材料，均產(chǎn)生了鋸齒形切屑，而且，TC4鋸齒化程度較大的切屑占5組，TA15鋸齒化程度較大的切屑占2組.從總體來看，TC4的鋸齒化程度高于TA15的鋸齒化程度.

鋸齒形切屑的形成原因在于絕熱剪切現(xiàn)象.從能量學(xué)角度來看，絕熱剪切帶的形成實(shí)際上是能量累積所導(dǎo)致的，形成絕熱剪切帶所需要積累的能量越少，則材料的絕熱剪切敏感性越強(qiáng)，鋸齒化程度就越大.Kipp M E和Grady D E[10-13]推導(dǎo)出的能量勢壘表達(dá)式為：

(1)

式中： ρ——材料的密度,kg/m3；

c——材料的比熱容,J/(kg·K)；

α——熱軟化系數(shù),K-1；

χ——熱擴(kuò)散系數(shù)，m/s2；

τy——材料的屈服強(qiáng)度,MPa；

(2)

式中： γ0——刀具前角，(°)；

φ——剪切角，(°)；

v——切削速度，m/min；

S——剪切帶寬度，mm.

(3)

剪切帶寬度可估算為：

(4)

式中，ap——切削深度，mm.

通過計(jì)算可知，TC4形成鋸齒形切屑所需能量低于TA15(圖2)，易于形成鋸齒形切屑，與鋸齒化程度測量結(jié)果相符.

圖2 能量勢壘趨勢

圖3 各種切削參數(shù)對刀具振動(dòng)的影響

圖3所示為各種切削參數(shù)對刀具振動(dòng)的影響.從圖3可以看出，在所有切削用量下，TA15的y方向以及z方向的刀具振動(dòng)加速度都小于TC4.其原因是TC4的絕熱剪切敏感性和強(qiáng)度大于TA15(圖2)，被切削材料在切削過程中強(qiáng)度越大，刀具的變形就越大，產(chǎn)生的鋸齒形切屑的鋸齒化程度越大，刀具的振動(dòng)加速度也越大.在切削速度從31.21m/min上升到100.32m/min的過程中，加工TA15和TC4的刀具振動(dòng)加速度曲線變化規(guī)律大致相同.在切削速度為31.21～49.05m/min內(nèi)，切削加工TC4和TA15產(chǎn)生的切屑均呈帶狀.在此切削速度范圍內(nèi)，隨著切削速度的上升，帶狀切屑從刀具前刀面流過的速度也上升，從而引起刀具的變形增大，刀具的振動(dòng)加速度增大.在切削速度為79.14m/min時(shí)產(chǎn)生鋸齒形切屑，但其鋸齒形并不均勻，不屬于標(biāo)準(zhǔn)鋸齒形切屑.因?yàn)殇忼X形切屑比帶狀切屑易斷，所以在切削速度從49.05m/min上升到79.14m/min的過程中，振動(dòng)加速度上升的趨勢變緩.切削速度為100.32m/min的切削加工產(chǎn)生齒形均勻的標(biāo)準(zhǔn)鋸齒形切屑，切屑更容易斷裂，刀具的振動(dòng)加速度明顯下降.在切削速度從100.32m/min上升到140.45m/min的過程中，加工TA15和TC4的刀具振動(dòng)加速度曲線明顯不同：加工TC4的刀具振動(dòng)加速度隨著速度增加而下降，其原因是隨著速度的增加切削溫度會(huì)上升，材料被熱軟化，加工TC4的刀具振動(dòng)加速度隨之降低；加工TA15的刀具振動(dòng)加速度隨著速度的增加而上升，主要原因是TA15的熔點(diǎn)高于TC4，導(dǎo)致TA15的熱軟化系數(shù)低于TC4，所以TA15的熱軟化作用不明顯，其次是隨著切削速度增加，鋸齒形切屑的斷屑對刀具振動(dòng)的影響被切削速度的增大所抑制，最終導(dǎo)致刀具振動(dòng)加速度隨著鋸齒形切屑鋸齒化程度的增大而升高.

從圖3還可以看出，在進(jìn)給量變化時(shí)，加工TC4和TA15的刀具振動(dòng)加速度隨著進(jìn)給量的增加而變大.其原因是隨著進(jìn)給量的增加，切屑鋸齒化程度增大，鋸齒化程度大的切屑摩擦刀具前刀面引起的刀具變形更大，刀具振動(dòng)加速度也更大.另一方面，進(jìn)給量增大使刀具與材料的接觸面積增大，使加工TA15和TC4的刀具振動(dòng)加速度增大.

4 結(jié)束語

通過車削TA15和TC4的圓柱形棒料實(shí)驗(yàn)，研究兩種鈦合金在相同切削用量下切屑形態(tài)與刀具振動(dòng)之間的關(guān)系.在相同切削用量下，TC4切屑鋸齒化程度比TA15切屑的鋸齒化程度高，切削TC4棒料時(shí)刀具的振動(dòng)加速度大于切削TA15棒料時(shí)刀具的振動(dòng)加速度.

[1] 姜振喜，孫 杰,李國超，等.TC4銑削加工的刀具磨損與切削力和振動(dòng)關(guān)系研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2015，36(1)：144-150.

[2] 林君煥，鄒 祥，李國平.基于壓電陶瓷執(zhí)行器的車削振動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19(5):1082-1085.

[3] 李小俚，關(guān)淑艷，關(guān)新平.刀具狀態(tài)智能監(jiān)控技術(shù)[J].高技術(shù)通訊，1998(1):24-26.

[4] Komanduri R，Reed W R. Evaluation of carbide grades and a new cutting geometry for machining titanium alloys[J].Wear，1983，92(1)：113-123.

[5] Komanduri R.Some clarifications on the machanics of chip formation when machining titanium alloy[J]. Wear，1982，76(1)：15-34.

[6] Shaw M C，Desalvo G J. On the plastic flow beneath a blunt axisymmetric indenter [J].Journal of Engineering for Industry，1970，92(2)：480-492.

[7] Ekinovic S, Begovic E. An approach to determine transition area from conventional to high-sppedmachining by means of chip shap analysis[J].Achieves of Materials Science,2007,28(1-4):35-39.

[8] 李國和.基于線性擾動(dòng)分析高速切削過程絕熱剪切預(yù)測研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

[9] 程信林.Ti-6Al-4V絕熱剪切變形中熱/力學(xué)參量的數(shù)值模擬及其剪切帶內(nèi)微觀組織演化機(jī)制的探討[D].長沙：中南大學(xué)，2004.

[10] Kipp M E,Grady D E.Dynamic fracture growth and interaction in one Dimension[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1985,33(4):399-415.

[11] Grady D E. Properties of an adiabatic shear-band process zone[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1992,40(6):1197-1215.

[12] Grady D E,Kipp M E.The growth of unstable thermoplastic shear with application to steady-wave shock compression in solids[J].Journal of Mechanics and Physics of Solids,1987,35(1): 95-118.

[13] Grady D E.Dissipation in adiabatic shear bands[J].Mechanics of Materials,1994(17):289-293.

Experimental Study on the Effect of TA15 and TC4 Chip Shapeon Vibration Acceleration

FAN Peng-fei,LI Jin-quan,ZHOU Pei-pei

(School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

By the cutting experiment of titanium alloy materials TA15 and TC4 and the formula quantization of adiabatic shear sensitivity properties, the effect of adiabatic shear sensitivity on the serrated degree of the cutting chip and the difference of vibration generated in cutting process was studied. The study shows that materials TA15 and TC4 produce the serrated chips in the high speed cutting. The serrated degree of the cutting chip has a significant effect on the vibration of cutting tool. Higher the adiabatic shear sensitivity of the material means the larger the serrated degree of the cutting chip and larger the vibration acceleration of the material.

TA15 titanium alloy; TC4 titanium alloy; cutting vibration; adiabatic shear sensitivity

2016-10-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275317)

范鵬飛(1988-)，男，黑龍江鐵力人，碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造理論與應(yīng)用技術(shù).

1006-3269(2016)04-0041-04

TG51

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.04.010