YBM251 車削TC4 鈦合金切削力與刀具磨損的試驗分析*

石 莉 劉朋和 姜增輝 呂 楊

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

鈦合金是優(yōu)良的航空航天材料，但其切削溫度高、回彈量大及化學(xué)活性強等特性使其成為典型的難加工材料。目前，國內(nèi)企業(yè)實際生產(chǎn)中鈦合金加工常用的刀具材料為未涂層硬質(zhì)合金刀具，其加工鈦合金粘結(jié)磨損比較嚴(yán)重，而且刀具易發(fā)生脆性破損，刀具使用壽命低;而切削性能較好的CBN 和PCD刀具材料，由于價格昂貴，應(yīng)用受到限制［1-4］。硬質(zhì)合金涂層刀具材料涂層不同，刀具的使用性能不同。本文使用韌性和強度好的基體與TiCN、薄Al2O3、TiN涂層結(jié)合的YBM251 涂層刀具加工TC4 鈦合金，對5種切削速度下切削力和刀具磨損以及其關(guān)系進(jìn)行試驗性研究。

1 切削試驗

1.1 試驗條件

試驗使用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，刀片型號為CNMG432，牌號為YBM251，配套刀桿MCLNR2525M12，前角γ0=6°，后角α0=7°，主偏角kr=95°，副偏角k'r=4°，刃傾角λs=-5.5°，副后角α'0=7°，刀具圓弧半徑r=0.8 mm。

試驗采用瑞士KISTLER9257B 測力儀，通過數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，使用日本基恩士公司生產(chǎn)的VHX -1000 電子顯微鏡觀測刀具磨損。試驗材料為TC4 鈦合金，工件長度為334 mm，直徑124 mm。

1.2 試驗方案

為了更好地研究涂層硬質(zhì)合金YBM251 車削鈦合金時切削速度對切削的影響，每種切削速度下都使用新切削刃或新刀片，試驗研究固定切削深度和進(jìn)給量條件下，5 種切削速度對切削力及刀具磨損的影響。切削參數(shù)如表1 所示。

表1 切削參數(shù)表

2 試驗結(jié)果分析

2.1 切削力時域信號分析

切削力是切削過程中重要的物理參數(shù)之一，它的大小直接影響到加工精度和加工質(zhì)量，它的大小間接反映了刀具在切削過程中的磨損和破損情況，切削力時域信號能夠反映切削過程特別是刀具狀態(tài)的變化，切削力時域信號的分析對研究金屬切削過程，特別是刀具的磨損過程有重要的意義。但通過數(shù)據(jù)采集卡采集到的切削力信號包含了多種頻率的信號，而車削切削力信號主要集中在低頻段，通過MATLAB 小波信號工具箱對信號進(jìn)行分解及重構(gòu)，得到低頻段的切削力信號，圖1 為5 種切削速度下重構(gòu)的低頻切削力信號。

從圖1 可以看出涂層硬質(zhì)合金YBM251 切削鈦合金在5 種切削速度下切削力隨時間的變化歷程。從圖1a 和b 可以看出，在切削速度為32 m/min 和45 m/min時，主切削力Fz最大，在有效的切削歷程范圍內(nèi)切削力變化不大，切削過程非常平穩(wěn);從圖1c、d 和e 可以看出，在切削速度分別為68 m/min、94 m/min 和134 m/min 時，在有效的切削歷程范圍內(nèi)，徑向切削力Fy和軸向切削力Fx隨著切削的繼續(xù)都不同程度的增大，而且隨著切削速度的不同切削力增大的幅度也不相同，徑向切削力Fy增大的最快，切削力幅值超過了主切削力，主切削力Fz變化不大。在切削速度為134 m/min 時，徑向切削力出現(xiàn)了直線式跳躍，突然減小，而后又持續(xù)增大。

2.2 切削速度對切削力的影響分析

圖1 給出了5 種切削速度下切削力隨時間歷程的信號圖，要研究切削速度對切削力的影響規(guī)律，通常情況下繪制切削力隨速度變化圖，但上述切削條件下，當(dāng)切削速度大于68 m/min 時，穩(wěn)態(tài)切削力隨切削時間有較大波動，簡單取均值或最大值不能真實反映切削過程，不能反映特定的切削參數(shù)條件下切削力隨時間的變化趨勢。本文引入切削力時間信號斜率Slope，用來表征切削過程中切削力特別是穩(wěn)態(tài)切削力隨切削時間的變化趨勢。

2.2.1 切削力時域信號斜率Slope 的定義

把經(jīng)小波分解重構(gòu)后的切削力信號調(diào)入MATLAB SPTOOL 信號處理工具箱，在Signal Browser 界面內(nèi)，應(yīng)用命令Trace＆Slope，如圖2 所示，選定maker1 和maker2 兩點，系統(tǒng)自動計算出Slope 的數(shù)值。Slope 數(shù)值的大小和正負(fù)表明了在給定的切削速度下穩(wěn)態(tài)切削力隨切削時間的變化趨勢。

2.2.2 切削速度對切削力的影響分析

研究切削速度對切削力的影響規(guī)律，選取刀具穩(wěn)定切削階段的切削力，即靠近maker1 附近的穩(wěn)態(tài)力。把5 種切削速度下的切削力經(jīng)MATLAB 分析處理后，得到切削力和切削力時域信號斜率Slope 隨切削速度的變化曲線如圖3 和圖4 所示，

從圖3 可以看出，切削力隨切削速度的增加變化不大，在三向力中主切削力Fz最大，徑向切削力Fy次之，軸向切削力Fx最小。在切削速度為45 m/min 時，徑向切削力和軸向力較小，在切削速度超過94 m/min后，主切削力Fz減小，而軸向切削力Fx和徑向切削力Fy增大。從圖4 可以看出，隨著切削速度的增加，三向切削力時域信號斜率Slope 均增加，特別當(dāng)切削速度超過94 m/min 時，增加的更快，其中徑向切削力Fy斜率Slope 增加最快，最小值為0.22，最大值為52.26;軸向切削力Fx次之，主切削力Fz變化最小。

綜合圖3 和圖4 分析可知，涂層硬質(zhì)合金YBM251 切削TC4 鈦合金時，當(dāng)切削速度小于65 m/min 時，切削力時域信號斜率Slope 較小，切削力在給定的時間歷程內(nèi)比較穩(wěn)定，切削過程比較平穩(wěn)，特別是在切削速度為45 m/min 時，力最小，應(yīng)該為涂層硬質(zhì)合金YBM251 切削TC4 鈦合金較為理想的切削速度。當(dāng)切削速度大于65 m/min，切削力開始增大，切削力時域信號斜率Slope 增大，穩(wěn)態(tài)切削力在給定的時間歷程內(nèi)逐漸增大，當(dāng)切削速度為134 m/min 時，切削力時域信號斜率Slope 急劇增大，特別是徑向切削力Fy的斜率Slope 增大到52.26，說明徑向切削力也急劇增大，從圖1d 切削力時域信號可以看出最大穩(wěn)態(tài)徑向切削力約為1128 N，而且切削力出現(xiàn)了跳躍，從1075 N突降為755 N，切削參數(shù)固定時，刀具嚴(yán)重磨損或破損可能是造成穩(wěn)態(tài)切削力變化的原因。

2.3 切削速度對刀具磨損的影響

使用VHX-1000 電子顯微鏡觀察刀具磨損，圖5為150 倍放大條件下，刀具前面、后面及副后面的磨損照片。從圖中可以看出，在切削速度小于68 m/min時，刀具處于正常磨損階段，前面沒有明顯的粘結(jié)物，隨著切削速度增加，前面開始出現(xiàn)小的麻點，當(dāng)切削速度為68 m/min 時，主、副切削刃，特別是刀尖圓弧附近出現(xiàn)明顯的溝槽或凹坑，逐漸在前面形成月牙洼磨損。當(dāng)切削速度小于68 m/min 時，后面和副后面磨損均勻，有明顯的磨損帶，切削速度為45 m/min 時，磨損最小，圖3 徑向切削力和軸向切削力最小也從側(cè)面說明了這一點。當(dāng)切削速度為94 m/min 時，涂層脫落明顯，在切削刃附近有切屑粘結(jié)物，刀具出現(xiàn)不同程度的粘結(jié)磨損。當(dāng)切削速度為134 m/min 時，刀具壽命劇降，刀具從初期磨損階段直接進(jìn)入劇烈磨損階段，前面、后面及副后面的涂層材料在較短的切削時間內(nèi)由于受到內(nèi)應(yīng)力及裂紋擴(kuò)展的影響迅速脫落，硬質(zhì)合金基體材料參與切削。研究資料表明［5-6］，硬質(zhì)合金切削鈦合金主要以粘結(jié)磨損為主，從圖5e 可以看出，刀具的前面、后面及副后面都有大量的金屬切屑粘結(jié)物，隨著切削進(jìn)行，粘結(jié)物尺寸增大，后面與加工表面、副后面與已加工表面的擠壓力增大，徑向切削力和軸向切削力增大。加工鈦合金時，由于鈦合金回彈量較大，為了減小加工表面對后面的擠壓，一般采用大主偏角刀具，但考慮到刀具的強度及散熱，副偏角一般較小。本實驗主偏角kr=95°，副偏角k'r=4°，后角α0=7°副后角α'0=7°，這樣就加劇了已加工表面與副后面的摩擦與擠壓，導(dǎo)致副后面磨損較快，金屬切屑粘結(jié)嚴(yán)重，因此，當(dāng)?shù)毒邍?yán)重磨損時，徑向切削力增大最快，幅值甚至超過主切削力，從圖1d 和e 可以證明這一點。當(dāng)切屑粘結(jié)物達(dá)到一定尺寸時，粘結(jié)物就會被切屑帶走，從而造成切削不穩(wěn)定，引起切削力突變。因此切屑粘結(jié)物從刀具材料的脫落是造成圖1e 切削力時域信號圖及圖4 切削力時域信號斜率Slope 的突變的根本原因。由于前后刀面及切削刃附近粘接大量的切屑粘結(jié)物，使得刀具與工件之間的擠壓作用增強，而主切削刃的切削作用因為切屑粘結(jié)物的存在而削弱，因此刀具進(jìn)入嚴(yán)重磨損階段以后，徑向切削力增大速度最快，軸向切削力次之，主切削力增大的速度最慢，還有減小的趨勢，嚴(yán)重磨損時主切削刃還可能無法切削，主切削力會急劇減小，甚至由切削完全變?yōu)閿D壓，切削力的方向也會發(fā)生改變。

3 結(jié)語

通過以上研究，得到下列結(jié)論:

(1)速度-切削力圖結(jié)合速度-斜率Slope 圖，能較為完整描述試驗過程中穩(wěn)態(tài)力的變化趨勢，切削速度小于94 m/min 時，切削力和斜率Slope 變化不大，切削速度大于94 m/min 時，切削力和Slope 急劇增加。

(2)YBM251 切削TC4 鈦合金，切削速度小于94 m/min 時，切削過程平穩(wěn)，后面及副后面磨損帶均勻，前面有輕微的月牙洼磨損，切屑粘結(jié)物較少。當(dāng)速度超過94 m/min 時，刀具磨損嚴(yán)重，涂層脫落，刀具上有大量的切屑粘結(jié)物，刀具以粘結(jié)磨損為主。

(3)涂層硬質(zhì)合金YBM251 加工TC4 鈦合金速度不宜太高。速度太高，涂層脫落，優(yōu)勢喪失.

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