鈦合金車削切削力及表面粗糙度優(yōu)化分析

孔憲俊，胡光，劉標，董志，慈言海，王明海

1沈陽航空航天大學機電工程學院；2中航工業(yè)沈飛(集團)有限公司科技管理室；3空裝駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室

1 引言

隨著鈦合金在航空航天領(lǐng)域的廣泛應用，其加工效率和加工質(zhì)量越發(fā)重要。鈦合金屬于難加工材料，因其導熱系數(shù)低，變形系數(shù)小，化學性質(zhì)較活潑，相比于其他材料，切削溫度較高，對刀具的磨損較大，所以切削加工性能較差，其加工難點制約了鈦合金在航空領(lǐng)域的應用[1]。因此，為推動我國航空航天制造業(yè)的發(fā)展，研究鈦合金切削參數(shù)成為該領(lǐng)域的熱點。

目前國內(nèi)外學者針對鈦合金車削工藝參數(shù)做了大量的仿真和試驗研究。劉慧磊[2]采用單一變量法對Ti-6Al-4V鈦合金進行了切削仿真溫度分析，從仿真云圖和溫度曲線圖得出，隨著切削速度的增加，切削區(qū)溫度也逐漸增加。劉二亮等[3]對車削TC11鈦合金的已加工表面質(zhì)量進行了研究，結(jié)果表明，切削速度從60m/min 增至100m/min時，刀具磨損程度增大，但硬化層深度減小，工件的表面粗糙度較低。何志祥等[4]通過Deform-3D軟件分析了不同切削用量對鈦合金切削溫度的影響，并推導出在干粗車條件下的切削溫度預測模型。Sulaiman S.等[5]研究發(fā)現(xiàn)，提高切削速度和進給速度會使摩擦因數(shù)提高，從而使切削溫度升高。何光春[6]對TC4鈦合金進行了干切削行為的試驗研究，主要討論了切削速度對鈦合金切削性能的影響，結(jié)果表明，切削速度不斷增大會使切削力降低。李登萬等[7]通過對鈦合金進行干式切削試驗建立了該條件下表面粗糙度的經(jīng)驗公式。

在切削加工時，切削熱的產(chǎn)生是無法避免的，切削溫度的大小也是評價切削質(zhì)量好壞的指標之一。切削力作為重要變量對材料的表面完整性有一定的指導作用，表面粗糙度作為工件加工后評價表面完整性的重要指標之一，也關(guān)乎工件的質(zhì)量與壽命。本文對TC11鈦合金進行車削正交試驗，研究切削參數(shù)(切削速度、進給量和切削深度)對切削過程中的切削溫度、切削力及表面粗糙度的影響機理，制定合理的鈦合金加工工藝方案，對鈦合金車削加工參數(shù)進行優(yōu)化，以保證表面質(zhì)量。

2 試驗條件和方案

采用超高強度TC11鈦合金棒料作為試件材料，TC11鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，化學成分如表1所示。TC11鈦合金的密度為4.48g/cm3，室溫彈性模量為123GPa，泊松比為0.3，硬度為331～343HB，相變溫度點1000℃。

表1 鈦合金化學成分 (wt.%)

采用沈陽機床生產(chǎn)的CAK4085n數(shù)控機床(見圖1)進行數(shù)控加工，主電機功率5.5kW，最高主軸轉(zhuǎn)速2000r/min。采用FLIR T630sc熱成像儀及其配套軟件FLIR ResearchIR Max測量車削過程中的切削溫度。選用瑞士Kistler測力儀及配套Dynoware軟件測量切削力。試驗采用VBMT160408硬質(zhì)合金涂層車刀，刀具幾何角度如表2所示，刀具的化學成分與物理性能如表3所示。

表2 車削試驗刀具參數(shù)

表3 試驗刀具的化學成分與物理性能

采用TR240表面粗糙度儀測量工件粗糙度(見圖1)，其測量范圍為Ra0.025～12.5μm，每次取樣長度為4mm。清洗完已加工表面的油污后，進行粗糙度測量，分別在工件外圓表面沿進給方向相鄰等距位置處測量五次，去掉一個最小值和最大值，剩下三組數(shù)據(jù)取平均值。

圖1 試驗設(shè)備

采用VHX-J250超景深三維立體顯微鏡對已加工表面缺陷及刀具磨損情況進行拍攝觀察。針對表面缺陷的位置可使用較大倍數(shù)進行拍攝，重點關(guān)注刀具的后刀面磨損。

為解決多參數(shù)因素、因素水平難確定導致的試驗工作量太大的問題，采用數(shù)據(jù)計算簡單及水平整齊均衡的正交試驗。根據(jù)TC11鈦合金的材料特性和其實際工程應用，選擇如表4所示的三水平和三因素，具體切削參數(shù)見表5。

表4 正交因素水平

表5 車削正交試驗切削用量

3 試驗結(jié)果分析

3.1 切削溫度分析

在切削過程中過高的切削溫度會降低已加工表面質(zhì)量，縮短工件使用壽命，加劇刀具磨損，并在實際工業(yè)生產(chǎn)中增加成本。因此，對切削溫度進行觀察和研究，可以優(yōu)化切削參數(shù)，提高刀具壽命和生產(chǎn)質(zhì)量。

試驗時將紅外線測溫儀對準切削區(qū)域，采集刀具的前刀面溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)ResearchIR Max 軟件生成的溫度-時間曲線，統(tǒng)計每組試驗的平均切削溫度(見圖2a)。溫度均值與切削用量關(guān)系如圖2b～圖2d所示。

(a)各組試驗切削溫度

切削層在發(fā)生塑性變形時會釋放大量熱量，這是切削熱的主要來源，另外刀具前刀面和后刀面分別與切屑和已加工表面接觸產(chǎn)生的的摩擦熱也會提高切削溫度[8]。在其他條件不變的情況下，當切削速度不斷提高時，加工過程所需要的功率也會增大，材料的應變率提高，單位時間內(nèi)消耗的能量也會更多，從而產(chǎn)生了更多的切削熱量。此外，隨著切削溫度和進給量的不斷提高，切屑變形更加劇烈，刀具對工件的擠壓更加強烈，兩者摩擦增大，從而釋放更多的熱量。由圖3可知，切屑與刀尖和前刀面的切削區(qū)域切削溫度最高，大部分的熱量由切屑帶走。

(a)切屑溫度云圖 (b)切削區(qū)溫度云圖

由圖2b和圖2c可知，較大的進給量和切削深度也會使切削溫度升高，但并非主要影響因素。

由圖4切削參數(shù)對切削溫度的影響得出結(jié)論：切削溫度對切削速度的敏感程度最高，其次為進給量，對切削溫度的影響程度最小的是切削深度。在實際加工中，良好的切削溫度可延長刀具壽命，工件的表面質(zhì)量也會更好，所以想要控制切削溫度的情況下，優(yōu)先考慮切削速度。

圖4 切削溫度極差分析

3.2 切削力分析

在切削過程中切削力是重要的研究因素，較小切削力可以降低切削過程所需的功率和產(chǎn)生的熱量，并且延長刀具的壽命。將切削力分為三個方向的力(主切削力、徑向力和軸向力)，此次主要研究切削參數(shù)對主切削力的影響規(guī)律。

根據(jù)Dynoware軟件生成主切削力-時間曲線，統(tǒng)計每組試驗的最大切削力和平均切削力并做柱狀圖(見圖5a)。分別做出最大切削力、平均切削力與切削速度、進給量、切削深度的柱狀圖(見5b、圖5c和圖5d)。

(a)各組試驗切削力

由圖5b可知，當切削速度較低時，材料去除率小，切削熱未能軟化鈦合金，故切削力增加；當切削速度進一步提高，由于鈦合金的導熱系數(shù)低，熱量不易傳出，大量切削熱聚集在切削區(qū)且缺乏切削液冷卻，導致工件受熱軟化，此時熱軟化效應大于應變硬化效應，切削力降低。

由圖5c可知，切削力隨進給量的提高先增加后減小，在加工過程中，極易被氧化產(chǎn)生表面硬化層，硬化層強度比鈦合金內(nèi)部硬度高，所以切削力增大[9]。進給量的增加可以使材料在形成硬化層之前就被刀具切除，所以在實際生產(chǎn)中，不易使用較低的進給量。

由圖5d可知，切削力與切削深度幾乎是線性增加的關(guān)系，這是因為大切深意味著需要去除更多的材料，成比例地增加材料去除率增大了切削力。

由圖6極差分析可以看出，影響關(guān)系的主次順序為切削深度>進給量>切削速度，所以在實際加工中，不應采用較低的切削速度和進給量。

圖6 切削力極差分析

3.3 表面粗糙度Ra分析

為使測量結(jié)果準確，在每組試驗工件外圓表面分別等距測量五次表面粗糙度，去掉一個最大值和一個最小值后在剩下三個數(shù)據(jù)中取平均值，每組平均表面粗糙度(見圖7a)。表面粗糙度與切削用量關(guān)系如圖7b～圖7d所示。

分析圖7可得出結(jié)論：表面粗糙度與切削速度呈負相關(guān)，這是由于在切削速度較低時刀具前刀面易形成積屑瘤，使試件的已加工表面粗糙度增大；隨著切削速度不斷提高，積屑瘤逐漸減少，切削溫度升高，使材料軟化，切削力降低，切削震顫現(xiàn)象減少，粗糙度逐漸降低。但切削溫度升高也會導致極小部分切屑融化黏附在切削表面(見圖8a)。

(a)各組平均表面粗糙度

表面粗糙度與進給量成正比，這是由于較大的進給量使工件表面遺留的切削層殘留面積增加，而切削層殘留面積形成了理論表面粗糙度；另一方面進給量對刀具磨損的影響最大，刀具磨損率整體隨著進給量的增加而增加，較大的進給量使刀具后刀面磨損嚴重，甚至發(fā)生崩刃的現(xiàn)象(見圖9)。而且進給量越大，切屑越不易被排出，且在刀具的擠壓作用下易在加工表面產(chǎn)生劃痕(見圖8b)。所以實際加工過程中，在保證生產(chǎn)效率的前提下，較小的進給量可以使加工表面更加光滑。

(a)f=0.1mm/r時刀具后刀面磨損

提高切削深度會使表面粗糙度先升高后減小，這主要與鈦元素的活性高有關(guān)，在加工過程中會產(chǎn)生硬化層，當切削深度小于硬化層深度時會使切削力增大，刀具震顫現(xiàn)象明顯，造成表面質(zhì)量差；當切削深度大于硬化層深度時，切削力減小，加工表面質(zhì)量好。

根據(jù)圖10極差分析可知，各切削用量對表面粗糙度影響程度依次為進給量>切削速度>切削深度。所以在實際加工中不宜采用較大的進給量，為提高加工效率可以適當增加切削深度。

圖10 表面粗糙度Ra極差分析

4 結(jié)語

本文采用正交試驗法對TC11鈦合金車削力和表面粗糙度展開研究，在本試驗參數(shù)內(nèi)，得出如下結(jié)論：

(1)切削溫度對切削力的大小有一定的影響。較大的切削速度產(chǎn)生了較高切削溫度，溫度升高使工件發(fā)生熱軟化，降低了切削力，因此較大的切削速度有利于降低切削力；較大的進給量可以使表面硬化層形成之前被快速切除，從而降低切削力；切削深度對切削力的影響最大。

(2)在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，進給量對表面粗糙度影響最大。較大的進給量使刀具磨損嚴重，切削層殘留面積增加，增大表面粗糙度；此外，切削速度增大，切削區(qū)塑性變形小，使得表面缺陷減少，試件表面粗糙度降低，較大的切削深度可以提高表面質(zhì)量。

(3)為優(yōu)化鈦合金車削加工表面質(zhì)量，獲得較低的表面粗糙度，應在高速切削、低進給量的條件下車削鈦合金工件。在試驗的切削參數(shù)內(nèi)，獲得最小切削力的參數(shù)組合為v=100m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2mm，獲得最小表面粗糙度的參數(shù)組合為v=75m/min，f=0.1mm/r，ap=0.2mm。在實際加工過程中，對不同直徑要求的棒材進行表面處理時，除了考慮切削速度和進給量對工件表面質(zhì)量的影響之外，還要考慮加工時長和加工成本，因此需不斷調(diào)整切削深度，這樣才能高效得到表面質(zhì)量較好的加工工件。