難加工材料超低溫切削的切屑形貌研究

□ 喬 帆 □ 任 斐 □ 劉 曉 □ 趙 威

1.上海航天設(shè)備制造總廠 上海 200245

2.南京航空航天大學機電學院 南京 210016

1 研究背景

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，宇航及武器裝備產(chǎn)品的服役環(huán)境愈發(fā)惡劣，具有輕質(zhì)、高強和高韌等優(yōu)良性能的難加工材料及復雜結(jié)構(gòu)零件得到廣泛使用。武器裝備中的擋塊零件材料為35CrMnSiA低合金高強度鋼，洛氏硬度（HRC）為34，加工后尺寸公差最大為0.027 mm，表面粗糙度Ra≤1.6 μm。飛船中的抱爪材料為TC4鈦合金，洛氏硬度（HRC）為30，加工后尺寸公差最大為0.012 mm，表面粗糙度Ra≤0.8 μm。轉(zhuǎn)位機構(gòu)中的上支板材料為TB2鈦合金，洛氏硬度（HRC）為35，加工后尺寸公差最大為0.016 mm，表面粗糙度Ra≤0.8 μm。對于此類零件的加工，超低溫切削技術(shù)因具有切削溫度極低、表面完整性佳、刀具壽命長、綠色無污染等特點［1］，受到越來越廣泛的關(guān)注。

超低溫加工采用刀具中心冷卻方式，將最低溫度可達-196℃的液氮及其氣液混合物輸送到距加工區(qū)域不到1 mm處。切削點低溫化，可以使工件材料局部冷脆，有利于強化切屑的剪切斷裂，并降低切削負荷［2-3］，使難加工材料更適宜切削。同時可以防止刀具自身的擴散磨損、相變磨損和粘結(jié)磨損，有效延續(xù)刀具的使用壽命［4-5］。

當前對于超低溫切削技術(shù)的研究主要集中于超低溫切削設(shè)備的研制開發(fā)、超低溫加工機理研究及超低溫加工表面完整性提升等方面。在切削機理研究方面，國內(nèi)外學者主要通過絕熱剪切理論解釋在難加工材料加工中的切屑形成過程［6-7］，并以此分析超低溫環(huán)境對材料鋸齒形切屑形成的促進作用［8-11］。筆者以TC4鈦合金和35CrMnSiA低合金高強度鋼材料為研究對象，通過對超低溫車削、銑削過程中的材料切屑進行宏觀及微觀形貌分析，量化超低溫射流溫度對切屑鋸齒化程度的影響，對難加工材料超低溫切削及切屑形成機理展開研究。

2 試驗方案

2.1 試驗設(shè)備

為有效分析液氮介質(zhì)對難加工材料在切削過程中鋸齒形切屑形成的影響，考慮連續(xù)切削與斷續(xù)切削方式，分別在車削和銑削加工中獲取切屑樣本，分析探討在液氮介質(zhì)冷卻潤滑下的鈦合金、低合金高強度鋼材料的切屑形成特征。

車削試驗機床采用國產(chǎn)C630車床，刀具選用KORLOY硬質(zhì)合金刀片。銑削試驗機床采用國產(chǎn)TH5660A立式加工中心，刀具選用ISCAR四邊形可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片。車削方式采用正交切削，銑削方式采用單齒順銑。

工件材料為TC4鈦合金和35CrMnSiA低合金高強度鋼。純鈦在室溫下為具有密排六方結(jié)構(gòu)的α相，在溫度855℃以上轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂畜w心立方結(jié)構(gòu)的β相。鈦合金除金屬間化合物外，在低溫下可分為α合金、α+β合金和β合金，TC4鈦合金是一種典型的α+β兩相混合結(jié)構(gòu)的合金材料，其名義成分為90%鈦、6%鋁、4%釩。

使用VHX-500數(shù)碼顯微鏡觀測切屑的宏觀形貌及微觀組織。此外，為了研究在超低溫切削條件下不同射流溫度對切屑變形的影響，使用了自主研發(fā)的超低溫氣體射流冷卻潤滑系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以實現(xiàn)-196～-50℃低溫射流供給，構(gòu)建用于車削和銑削的超低溫切削系統(tǒng)。

2.2 試驗參數(shù)

以工程實際切削參數(shù)為指導，結(jié)合試驗所得經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定車削與銑削參數(shù)，分別見表1和表2。

表1 車削參數(shù)

表2 銑削參數(shù)

2.3 試驗方法

對在不同切削參數(shù)和冷卻潤滑條件下所產(chǎn)生的切屑進行收集，使用環(huán)氧樹脂進行冷鑲嵌，通過砂紙和拋光機進行研磨和拋光，然后將試樣放置于腐蝕液中腐蝕，再將制備好的切屑金相試樣放置在數(shù)碼顯微鏡下觀察切屑形貌及金相組織。

應用Digimizer軟件測量切屑的幾何特征參數(shù)，鋸齒化程度和節(jié)塊間距測量分別如圖1、圖2所示。鋸齒化程度可以表征切屑的變形程度，關(guān)系式為：

式中：Gs為鋸齒化程度；H為切屑底部到切屑鋸齒頂峰的高度；h為切屑底部到切屑鋸齒低谷的高度。

通過測量切屑中相鄰兩鋸齒齒頂或齒根的距離，可以得到節(jié)塊間距Pc，進而對超低溫切削的切屑形成機理展開研究。

▲圖1 鋸齒化程度測量

▲圖2 節(jié)塊間距測量

3 切屑分析

基于車削試驗和銑削試驗，收集并制作了切屑樣本，對比在液氮冷卻與干切削條件下的切屑宏觀與微觀形貌，以此揭示液氮冷卻條件對鈦合金和低合金高強度鋼切屑形成的作用機理。

3.1 切屑宏觀形貌

3.1.1 TC4鈦合金

圖3所示為分別在20℃干切削、-120℃和-196℃低溫切削下收集的TC4鈦合金試樣切屑宏觀形貌。由圖3可以看出，在90 m/min切削速度條件下，室溫20℃時的切屑呈現(xiàn)C形屑，屑段連續(xù)且相對較完整。隨著射流溫度的降低，切屑的破碎狀況加劇，小屑段切屑比例增大。這一現(xiàn)象表明了TC4鈦合金材料具有低溫硬化和一定程度的脆化特性，即在液氮冷卻條件下有利于材料在切削時的切屑斷屑。在其余切削速度下，TC4鈦合金同樣具有類似現(xiàn)象。

3.1.2 35CrMnSiA低合金高強度鋼

圖4所示為分別在20℃干切削、-120℃和-196℃低溫切削下收集的35CrMnSiA低合金高強度鋼試樣切屑宏觀形貌。由圖4可以看到與TC4鈦合金切屑類似的現(xiàn)象，即隨著切削溫度的降低，連續(xù)切屑減少，小屑段切屑比例增大，表明35CrMnSiA低合金高強度鋼材料也具有低溫硬化和低溫脆化特性，液氮冷卻條件有利于促進切屑斷屑。

3.2 切屑微觀形貌

3.2.1 TC4鈦合金

圖5所示為射流溫度對TC4鈦合金切屑變形的影響，可見無論是在干切削還是低溫切削條件下，切屑橫截面形貌均呈鋸齒形。在鋸齒形切屑節(jié)塊的連接處及主變形區(qū)均存在明顯的絕熱剪切帶，與周圍組織相比，剪切帶的晶粒明顯被拉長而呈纖維狀。在切削過程中，剪切變形高度集中在一個相對狹小的區(qū)域內(nèi)，在變形過程中，由塑性功轉(zhuǎn)化的熱量引起材料局部溫升，導致材料熱軟化。當熱軟化效應占優(yōu)勢時，材料就會發(fā)生剪切失穩(wěn)，形成絕熱剪切帶。

▲圖3 TC4鈦合金切屑宏觀形貌

▲圖4 35CrMnSiA低合金高強度鋼切屑宏觀形貌

▲圖5 射流溫度對TC4鈦合金切屑變形的影響

圖6和圖7分別展示了射流溫度對TC4鈦合金切屑鋸齒化程度和節(jié)塊間距的影響規(guī)律。比較圖6和圖7可以看出，低溫切削時，射流溫度的降低會導致切屑鋸齒化程度和節(jié)塊間距明顯增大，這表明射流溫度越低，切屑底部鋸齒間的接觸長度越小，越有利于切屑的分離。與干切削相比，在-196℃液氮冷卻條件下，切屑的鋸齒化程度和節(jié)塊間距的增幅分別為83.3%和141.2%，這是由于在低溫條件下，TC4鈦合金的韌脆性轉(zhuǎn)變過程使材料塑性逐漸降低，切屑分節(jié)內(nèi)變形較小，變形主要集中于剪切帶內(nèi)，切屑鋸齒化機理由熱塑性剪切失穩(wěn)逐漸過渡到韌脆斷裂失效，切屑呈鋸齒形程度越來越明顯。

3.2.2 35CrMnSiA低合金高強度鋼

在超低溫環(huán)境下，35CrMnSiA低合金高強度鋼切屑也呈現(xiàn)出類似TC4鈦合金的變化趨勢。進給量為 0.1 mm/r、切削深度為1.0 mm、切削速度為120 m/min時，不同冷卻溫度下所獲得的切屑鋸齒化程度如圖8所示。由圖8可以看出，低溫冷卻條件可以加大35CrMnSiA低合金高強度鋼的切屑鋸齒化程度，且隨著低溫冷卻溫度的降低，鋸齒化程度越來越顯著。

3.3 分析小結(jié)

通過對TC4鈦合金低溫切削試驗，分析切削參數(shù)和冷卻條件對切屑變形的影響。射流溫度對TC4鈦合金的切屑變形有重要影響，對比干切削，發(fā)現(xiàn)在低溫切削時射流溫度越低，TC4鈦合金切屑的鋸齒化特征越明顯，尤其是在-196℃液氮冷卻條件下切削時，切屑的鋸齒化程度與節(jié)塊間距相對干切削分別增大了83.3%和141.2%，表明液氮冷卻明顯有利于材料切屑斷屑。

▲圖6 冷卻溫度對TC4鈦合金切屑鋸齒化程度的影響

▲圖7 冷卻溫度對TC4鈦合金切屑節(jié)塊間距的影響

▲圖8 35CrMnSiA低合金高強度鋼切屑鋸齒化程度

低溫切削TC4鈦合金，由于材料在主變形區(qū)發(fā)生剪切滑移，易形成絕熱剪切帶，且絕熱剪切帶的形成有利于切屑斷屑。

筆者通過對35CrMnSiA低合金高強度鋼低溫切削試驗，分析了切削參數(shù)和冷卻條件對切屑鋸齒化的影響。射流溫度對35CrMnSiA低合金高強度鋼的切屑鋸齒化程度有重要影響，影響趨勢與TC4鈦合金類似，且在切削時射流溫度越低，35CrMnSiA低合金高強度鋼切屑的鋸齒化特征越明顯，因此，液氮冷卻有利于切屑斷屑。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對鋸齒形切屑形貌分析研究，證實了超低溫切削液氮冷卻條件有利于TC4鈦合金及35CrMnSiA低合金高強度鋼兩種典型難加工材料的切屑斷屑，對切削過程中材料切屑形成具有良好的促進作用，改善了材料的加工性能。對難加工材料在切削過程中切屑成形機理的研究，屬于超低溫切削工藝研究的基礎(chǔ)問題，可以提升航天領(lǐng)域中難加工材料零件的加工工藝水平，解決加工后表面質(zhì)量低和易變形的問題，進而為提高加工設(shè)備壽命提供新的技術(shù)途徑。