切削工藝參數(shù)對Ti6Al4V合金切屑形貌的影響規(guī)律*

賴曲芳，付 鵬，胡淑芬

(江西農(nóng)業(yè)大學 工學院，南昌 330045)

鈦合金具有質(zhì)量輕、硬度高、熔點高的特點，具有廣泛的應用前景.但因其硬度較高，不易于切割，所以鈦合金的切割加工功能較差，在一定程度上制約了鈦合金的應用[1-2].鈦合金的切割效率主要是受其化學活性、變形系數(shù)、彈性模量以及粘刀情況等影響[3]，因為鈦合金對切割刀具的材料具有較強的化學親和性，在切割溫度較高或切割力度較大的情況下，鈦合金很容易與切割刀具產(chǎn)生粘連進而造成磨損.邱德元等[4]研究了切削速度對不同硬質(zhì)合金刀具切削磨損機理，認為高速切削時選用YW類刀具更為適合；張家雨等[5]探究了快速切割Ti6Al4V過程中切割刀具幾何參數(shù)(前角、后角、刀尖弧度半徑)對切割力度的影響，發(fā)現(xiàn)正的前角值越小，越有利于鋸齒切屑的形成，前角增大會導致鋸齒化程度減弱；孫富建等[6]通過模型計算發(fā)現(xiàn)隨著切割速度的不斷提高，切割絕熱剪切帶的形變程度不斷增加，絕熱剪切帶的寬度及距離不斷減小.刀具加工相關(guān)的幾何參數(shù)主要包含切削厚度、進給速度、刀前角等[7].于天琪等[8]利用計算機模擬仿真技術(shù)分析了刀尖圓弧半徑對切削溫度、切削力、切削區(qū)應力分布的影響；陳國三等[9]研究了鋸齒形切屑絕熱剪切帶的變形情況，闡明了在熱力耦合作用條件下剪切帶的轉(zhuǎn)變規(guī)律.因此，研究切削加工工藝參數(shù)對切削形貌以及絕熱剪切的影響具有十分重要的意義，對于提高Ti6Al4V合金切削效率具有重要的參考價值.

1 材料與方法

傳統(tǒng)的鈦合金切割加工方法只考慮單一的加工影響因素，由此得到的加工效果并不理想.為了有效解決傳統(tǒng)方法存在的問題，提出一種新的鈦合金切割加工方法，充分考慮所有的加工影響因素(切削速度、進給速度和刀具前角度)，根據(jù)影響因素對鋸齒金相的齒距、自由表面、帶傾角以及帶寬進行測量，進而分析出切削工藝參數(shù)對Ti6Al4V合金切屑形貌的影響規(guī)律.

實驗用Ti6Al4V合金為φ80 mm棒材，化學成分如表1所示.加工前熱處理工藝為760 ℃退火保溫1.5 h，然后空冷至室溫，杜絕原材料生產(chǎn)過程中局部應力的產(chǎn)生，使其具有均勻穩(wěn)定的組織性能，并且還能夠具有一定的韌性.實驗采用的切削速度為250和350 m/min，進給速度為0.3、0.4、0.5 mm/r，刀具前角度分別為0°和8°.對獲得的切屑進行篩選后，進行冷鑲、磨樣、拋光和侵蝕等處理，采用體積分數(shù)為10%HF+5%HNO3+85%H2O的侵蝕液腐蝕，利用蔡司光學顯微鏡觀察其微觀形貌.對鋸齒金相的齒距、自由表面、帶傾角和帶寬進行測量，示意圖如圖1所示.

表1 Ti6Al4V的化學成分

圖1 相關(guān)參數(shù)測量示意圖

根據(jù)上述過程，采用日本FANUC數(shù)控系統(tǒng)研究切削工藝參數(shù)對Ti6Al4V合金切屑形貌的影響規(guī)律.該數(shù)控系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)速可達4 500 r/min，系統(tǒng)的組建主要包括Kistler9257B測力儀、數(shù)據(jù)采集卡、電荷放大器等，利用該數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)i6Al4V合金的切削力進行準確測量，確保研究結(jié)果的準確性.數(shù)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)，即Ti6Al4V合金切削力測量與控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

2 結(jié)果與分析

為了驗證所提切割加工方法的有效性和實用性進行了如下實驗：分別將切削速度、進給速度和刀具前角度作為實驗變量，將鋸齒金相的齒距、自由表面、帶傾角以及帶寬作為測量指標進行實驗測試，得出實驗結(jié)果并對結(jié)果進行分析，從而分析切削工藝參數(shù)對Ti6Al4V合金切屑形貌的影響規(guī)律.

圖3為不同進給速度條件下獲得的切削形貌圖，圖3中α表示鋸齒與鋸面的夾角，b表示鋸面到鋸齒的高度，d表示鋸面邊緣到鋸齒的高度，L表示相鄰鋸齒之間的距離.由圖3可知：隨著進給速度(即刀具沿著被加工棒材軸線方向運動的速度)的遞增，系統(tǒng)的切屑形態(tài)發(fā)生了明顯的變化.在進給速度分別為0.3、0.4、0.5 mm/r時，鋸齒數(shù)量分別為5、4、3，說明隨著進給速度提高，鋸齒數(shù)量逐漸減少，鋸齒間距呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢.

圖3 不同進給速度條件下的切削形貌

為進一步驗證金相觀察結(jié)果，對不同切削速度下切屑相關(guān)數(shù)據(jù)進行測量，進給速度對齒距和自由表面尺寸的影響如圖4所示.當切削速度為250 m/min，進給速度分別為0.3、0.4、0.5 mm/r時，齒距分別是136、140、167 μm，自由表面距離分別是109、127、213 μm，兩者都逐漸提高.切削速度是棒材切削時沿著圓周方向的速度，而進給速度是刀具沿著棒材軸線方向的速度，提高進給速度能夠直接增大切屑的寬度(區(qū)別于剪切帶角減小的作用).當?shù)毒咔敖呛颓邢魉俣榷枷嗤瑫r，更大的進給速度會增加被切削表層金屬的寬度，這將從另外一個方向上增加剪切的長度，致使剪切面積增大，剪切滑移變形阻力大，鋸齒化程度提高；另一方面隨著接觸面積的提高，切屑整體上能夠更好地承受切削力，進而更穩(wěn)定地進行絕熱剪切，可以體現(xiàn)在切屑形態(tài)上，鋸齒數(shù)量、齒距和自由表面距離都會得到提高，鋸齒化程度增強.進給速度相同時，切削速度增加也使得齒距增大，且影響較為顯著.

圖4 進給速度對齒距和自由表面尺寸的影響

圖5顯示了進給速度對帶傾角與帶寬的影響.隨著進給速度的提高，鋸齒形切屑的剪切帶傾角有明顯的下降，同時絕熱剪切帶的寬度也在逐步提升.在250 m/min的切削速度下，進給速度從0.3 mm/r增加到0.5 mm/r時，剪切帶的寬度分別為3.4、4.4、7.8 μm，而其對應帶傾角分別為52°、49°、45°，逐漸減小.

刀具前角對鋸齒的形貌有很大程度的影響，圖6是在切削厚度為0.3 mm、切削速度為250 m/min條件下，刀具前角分別為8°和0°時的剪切帶微觀形貌.觀察分析發(fā)現(xiàn)，圖6a中的剪切帶為典型的無規(guī)則形變帶組織，雜亂而無序，附近的組織與基體組織相近，正是由于未發(fā)生絕熱剪切而形成的；而圖6b中剪切帶為明顯的轉(zhuǎn)變帶組織，轉(zhuǎn)變帶的形貌與基體組織完全不一樣，因為切削時發(fā)生了絕熱剪切.由圖6也可以看出，圖6a的剪切帶傾角相比于圖6b剪切帶傾角更大.

圖5 進給速度對帶傾角和帶寬的影響

剪切帶傾角是指剪切帶與切屑底面所形成的夾角，在不同切削條件下剪切帶傾角變化如圖7所示.

圖6 不同刀具前角下剪切帶微觀形貌

圖7a、b為切削厚度、刀具前角與剪切帶傾角的變化關(guān)系曲線，當?shù)毒咔敖菫?°時，剪切帶傾角從63.21°降至50.80°；刀具前角為8°時，剪切帶傾角從68.93°降至最低時為49.8°，由此可見，剪切帶傾角隨著切削厚度的增大而減小，而刀具前角的變化對剪切帶傾角的影響不大.圖7c為切削速度與剪切帶傾角的關(guān)系，剪切帶傾角從54.63°降至最低時為46.17°，由此可知隨著切削速度的增加，剪切帶傾角逐漸減小.

3 結(jié) 論

本文從切削工藝參數(shù)的角度出發(fā)，探究其對Ti6Al4V合金切屑形貌的影響規(guī)律.以Ti6Al4V合金φ80 mm棒材作為研究對象，采用760 ℃退火熱處理鈦合金棒材，經(jīng)1.5 h保溫冷卻后，分別采用250和350 m/min的切削速度，前角度為0°和8°的刀具對冷卻至室溫的鈦合金進行切削，同時給出了三種不同的進給速度條件下，Ti6Al4V合金切屑形貌的變化規(guī)律.分析實驗結(jié)果可得：

圖7 不同條件下剪切帶傾角變化曲線

1)隨著進給速度的增加，鋸齒間距和自由表面尺寸顯著增加.

2)隨著進給速度的增加，剪切帶傾角隨著切削厚度的增大而減小.

3)當?shù)毒咔敖菫?°時，剪切帶傾角從63.21°降至50.80°；當?shù)毒咔敖菫?°時，剪切帶傾角從68.93°降至最低49.8°，刀具前角的變化對剪切帶傾角的影響不大.