高速銑削鈦合金的切削力和切削溫度

　　切削力和切削溫度試驗在Mikron UCP710五坐標高速加工中心上進行，采用Kistler9265B動態測力儀及Kistler5019電荷放大器對銑削力進行測量，采用夾絲半人工熱電偶方法對銑削溫度進行測量。試驗用刀具為Walter WMG40硬質合金機夾刀片，工件材料為鈦合金TA15，熱處理狀態為退火。采用單因素試驗，考察不同銑削速度下切削力和切削溫度的變化規律。其他切削條件為：軸向切深ap=6mm，徑向切深ae=1mm，每齒進給量fz=0.1mm/z。為典型的銑削力信號圖以及后刀面磨損VB＝0.15mm 時的切削力與銑削速度關系曲線。銑削力的方向定義為：進給方向為X，銑刀徑向切深方向為Y，刀具軸向為Z。可以看到在此范圍內，Fx和Fz變化不大，而Fy隨切削速度的提高略有下降。試驗和理論表明：一方面隨著切削速度的上升，兩個因素會導致切削力的增加。首先是由斷續切削造成的切削力沖擊和動態切削力的數值會增加；其次，材料的應變硬化程度嚴重，導致剪切區變形抗力增加。另外一方面，切削速度上升導致的切削溫度上升也會使被加工材料軟化，使切削力減小。所以，切削速度對切削力的影響，要看這兩方面綜合作用的結果。當刀具后刀面磨損達到一定程度時，隨著切削速度的增加，由溫度升高所導致的材料軟化影響占主導地位，其作用超過動態切削力增加和應變硬化增加兩方面的影響，所以總的銑削力呈下降趨勢。

　　典型的銑削溫度熱電勢信號及50～550m/min 切削速度范圍內的切削溫度與銑削速度的關系。切削溫度隨銑削速度增加有一直上升的趨勢，但是在不同的速度范圍內，切削溫度上升的程度是不同的。在較低的速度范圍內，溫度隨切削速度而上升的趨勢較快，而在較高的速度范圍內，溫度隨切削速度而上升的趨勢變緩。這一現象產生的原因在于，隨著切削速度的增加，傳入切屑的熱量比例增加，更多的熱量被切屑帶走；而傳入工件和刀具的熱量的比例減小，相應的刀具和工件的溫度升高也不明顯。

　　高速銑削鈦合金的刀具磨損

　　鈦合金高速銑削刀具磨損機理和刀具耐用度是生產過程中較受關注的問題。為磨鈍標準VB＝0.3mm的情況下，刀具耐用度隨切削速度的變化關系。隨著銑削速度增加，刀具銑削時間下降較快。在200～250m/min 的速度范圍內時，刀具壽命下降很快；銑削速度繼續增加，刀具壽命的下降趨勢有所減緩。在200m/min的速度下，刀具壽命超過120min。

[$page]　　硬質合金刀具高速銑削鈦合金時的刀具磨損微觀形態（圖中黑色部分為未被完全腐蝕的鈦合金粘結物）。在高速銑削鈦合金時，鈦合金在刀具表面的粘結現象非常嚴重，由于工件與刀具接觸表面的溫度較高，且溫度梯度大，在鈦合金粘結和溫度梯度的綜合作用下，刀具將產生擴散磨損。一方面，粘結在刀具上的鈦合金中的Ti元素向刀具中擴散，形成粘結的TiC層，TiC粘結層脫落時，會帶走一部分刀具材料。另一方面，刀具中的C向高溫區擴散，Co向低溫區擴散，在刀具和工件的接觸面上形成富C貧Co區，造成WC顆粒間的粘結強度下降，表層脆化，從而引起WC顆粒脫落。另外，銑削時的熱沖擊會使刀具切削刃附近產生梳狀裂紋，裂紋垂直于切削刃方向，沿切削刃平均分布，裂紋間距約100μm，長度可達到0.5mm，并且貫穿前刀面和后刀面。當裂紋擴展到一程度，會引起刀具切削刃的強度下降，從而使刀具材料被粘結其上的鈦合金撕裂和脫落，使切削刃變形和鈍化。所以，銑削鈦合金時的刀具磨損是擴散磨損、粘結磨損和熱沖擊相互作用、相互促進的結果。 

　　刀具耐用度與銑削速度的關系

　　高速銑削鈦合金的表面完整性

　　在50～300m/min的速度范圍內，加工表面粗糙度Ra的值較低，并且變化很小，分布在0.1～0.3 μm 之間。表面粗糙度隨后刀面磨損的增加而增大。在刀具磨損初期，粗糙度變化不大；但當后刀面磨損較大時，粗糙度會顯著增加。為保證獲得良好的表面粗糙度，應該控制刀具的后刀面磨損量。

　　從各種切削速度下加工表面層的金相組織來看，銑削鈦合金TA15的加工表面層金相組織變化并不明顯，也未發現晶粒沿刀刃運動方向被拉伸的現象。同時，無論是常規速度還是高速銑削TA15，所產生的加工硬化均不嚴重，銑削速度的提高并不會造成顯著的加工硬化。