劉 東

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

TC4鈦合金切削中切屑塑性變形分析

劉 東

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

文 摘 對(duì)TC4鈦合金切削過(guò)程中鋸齒形切屑形成過(guò)程和切削力的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)鋸齒形切屑形成中微觀塑性變形區(qū)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：當(dāng)切削速度大于48.75 m/min時(shí)，切屑由帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X形。鋸齒形切屑的形成導(dǎo)致了切削過(guò)程中切削力的波動(dòng)變化，切削力與切屑的鋸齒形變化規(guī)律一致，鋸齒形切屑形成中塑性變形區(qū)的寬度隨切削速度的增加而減小。

TC4鈦合金，切削速度，鋸齒形切屑，塑性變形，切削力

0 引言

高速切削廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代先進(jìn)制造中，但在高速切削中，當(dāng)切削速度、進(jìn)給量等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，被加工材料往往產(chǎn)生帶重復(fù)性絕熱剪切塑性變形帶的鋸齒形切屑[1]。在一般的切削速度下，由絕熱剪切所產(chǎn)生的鋸齒形切屑常產(chǎn)生于散熱特性較差的難加工材料,如高強(qiáng)度鈦合金、高溫合金和軸承鋼等材料[2-3]。近些年來(lái)，大量的研究結(jié)果表明，高速切削材料加工過(guò)程中，大量的被加工材料會(huì)發(fā)生絕熱剪切塑性變形，并產(chǎn)生均勻間隔絕熱剪切帶的鋸齒形切屑[4-6]。鋸齒形切屑對(duì)切削加工的影響主要體現(xiàn)在切削力的變化、加工件的尺寸精度、表面殘余應(yīng)力、刀具耐用度等方面[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)鋸齒形切屑的周期性變化經(jīng)常引起切削力的周期性變化，從而影響被加工工件的尺寸精度、殘余應(yīng)力并加劇刀具磨損，降低刀具使用壽命。在高速切削中切削速度是影響鋸齒形切屑形成的主要因素，當(dāng)切削速度增加時(shí)，切削加工所產(chǎn)生的切屑從連續(xù)的帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蜷g隔絕熱剪切帶的鋸齒形，最后產(chǎn)生離散切屑，在這個(gè)過(guò)程中包含了絕熱剪切形變帶的高溫塑性變形，并伴隨著絕熱剪切區(qū)內(nèi)等效應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率的變化。

TC4鈦合金由于其優(yōu)良的綜合性能在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于鈦合金屬于典型的難加工材料，熱導(dǎo)率低、彈性模量小、化學(xué)活性好等特點(diǎn)，鈦合金材料在切削加工尤其是高速加工時(shí)具有切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重、單位切削力大等特點(diǎn)。

在TC4鈦合金切削加工過(guò)程中，當(dāng)切削速度增加到一定程度時(shí)，切屑由帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X形，同時(shí)鋸齒形切屑的形成對(duì)切削加工過(guò)程中的切削力也產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而對(duì)切削加工表面質(zhì)量也產(chǎn)生影響。本文對(duì)TC4鈦合金切削加工過(guò)程中鋸齒形切屑塑性變形過(guò)程與切削力變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)鋸齒形切屑內(nèi)部塑性變形區(qū)進(jìn)行微觀分析，得到鋸齒形切屑絕熱剪切區(qū)塑性變形規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

TC4鍛件，α+β型，其化學(xué)成分和經(jīng)固溶處理后的力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 TC4鈦合金成分

表2 TC4鈦合金力學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)中將鈦合金實(shí)驗(yàn)件加工為外徑為Φ100 mm，內(nèi)徑Φ98 mm，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的近似正交切削(圖1)。切削采用硬質(zhì)合金YS8刀片，刀具前角20°，刀具后角為1.5°，刀刃圓弧半徑0.02 mm。

圖 1 工件幾何尺寸圖

1.2 實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

將工件用卡盤(pán)固定在車床CM6140上，并在車床上安裝車削測(cè)力儀，通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡連接到計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)采集切削力數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

切削速度分別為：30、48.75、76.18、97.52 m/min。進(jìn)給量為：0.1 mm/min。在切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中收集各種切削速度所產(chǎn)生的切屑，每次在切削完成之后將切屑收集在專用容器中，并將切屑切割成長(zhǎng)約10 mm的條狀。在鑲嵌機(jī)中進(jìn)行加熱壓鑄形成方便手工夾持的圓柱體。用不同粒徑的耐水砂紙從粗到細(xì)依次打磨，最后在拋光機(jī)上拋光處理，并用一定比例氫氟酸硝酸水溶液進(jìn)行腐蝕處理得到金相標(biāo)本，在光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡下對(duì)切屑進(jìn)行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 切削力和切屑形貌

不同切削速度下切削力和切屑微觀形貌見(jiàn)圖3。

圖3 不同切削速度下切削力與切屑形貌

可以看出當(dāng)切削速度為30 m/min時(shí)，鈦合金切屑為帶狀切屑，切削力變化比較平穩(wěn)。當(dāng)切削速度為48.75 m/min時(shí)，切屑由帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀，可以認(rèn)為此切削速度為T(mén)C4鈦合金切削中切屑從帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X形的臨界切削速度。切削力變化也呈現(xiàn)鋸齒狀變化。當(dāng)切削速度繼續(xù)增加為76.18、97.52 m/min時(shí)，切屑鋸齒化程度繼續(xù)增加，切削力的波動(dòng)頻率也隨之增加，可見(jiàn)TC4鈦合金切削過(guò)程中鋸齒化的形成是切削力的鋸齒化波動(dòng)的直接原因。從切削機(jī)理以及鋸齒形切屑形成機(jī)理來(lái)分析，當(dāng)絕熱剪切所產(chǎn)生的鋸齒形切屑開(kāi)始形成時(shí)，被加工材料切削層由絕熱剪切溫升所引起的材料熱軟化效應(yīng)大大超過(guò)由材料剪切應(yīng)變和應(yīng)變率所產(chǎn)生的硬化效應(yīng)，使被加工材料剪切變形抗力明顯減?。凰栽谶@個(gè)過(guò)程中，主切削力和進(jìn)給力均發(fā)生了一定程度的下降，在下一個(gè)周期開(kāi)始后切削力又開(kāi)始恢復(fù)到正常水平，這樣隨鋸齒形切屑的周期性變化，主切削力和副切削力均產(chǎn)生周期性的變化。在絕熱剪切鋸齒形切屑形成階段，切削力的波形與鋸齒形切屑的波形基本吻合。

2.2 鋸齒形切屑剪切區(qū)塑性變形

為對(duì)鋸齒形切屑形成過(guò)程中絕熱剪切帶的變形進(jìn)行量化分析，在掃描電鏡下測(cè)量不同切削速度下切屑絕熱剪切帶的寬度，分析切削速度對(duì)絕熱剪切帶的影響。將圖4所示掃描電鏡絕熱剪切帶微觀金相圖放大，測(cè)量剪切帶的平均寬度從圖4和圖5可以看出，當(dāng)切削速度較低，切屑沒(méi)有形成鋸齒形時(shí)，切屑中沒(méi)有形成明顯的絕熱剪切帶。當(dāng)材料塑性變形速度比較大時(shí)，在局部形成的條狀變形帶為絕熱剪切帶，絕熱剪切帶的形成主要與材料的變形速度有關(guān)。在切削加工中，當(dāng)切削速度提高，切屑形成鋸齒形時(shí)，在切屑中就形成了明顯的絕熱剪切帶。

從圖4和圖5可以看出，當(dāng)切削速度為30 m/min時(shí)，切屑內(nèi)部塑性變形比較均勻，沒(méi)有形成明顯的絕熱剪切帶。當(dāng)速度提高到48.75 m/min時(shí)，在鋸齒形切屑中形成明顯的絕熱剪切帶。在掃描電鏡下測(cè)量不同切削速度下絕熱剪切帶的寬度(圖4)。從圖5可以看出：絕熱剪切帶寬度隨切削速度增加而減小，從48.75 m/min時(shí)的平均7.9 μm減小到76.18 m/min時(shí)的6.5 μm，當(dāng)切削速度提高到97.52 m/min時(shí)減小到5.7 μm。這是因?yàn)楫?dāng)切削速度提高時(shí)，切削過(guò)程中材料的變形速度增加導(dǎo)致鋸齒形切屑間形成絕熱剪切塑性變形帶。

圖5 剪切帶寬度隨切削速度變化圖

3 結(jié)論

(1)鈦合金切削中當(dāng)切削速度大于48.75 m/min時(shí)，切屑由帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X形。

(2)鋸齒形切屑的形成過(guò)程導(dǎo)致了切削過(guò)程中切削力的波動(dòng)變化，切削力的鋸齒形波動(dòng)與切屑的鋸齒形相一致。

(3) 鋸齒形切屑形成中塑性變形區(qū)的寬度隨切削速度的增加而減小。

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Analysis of Chip Plastic Deformation During Machining of Titanium Alloy TC4

LIU Dong

(College of Mechanical and Material Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144)

The relationship between the forming process of serrated chip and the cutting force in the cutting process of titanium alloy TC4 was studied, and the micro plastic deformation zone in the formation of serrated chip was analyzed.The experimental results indicate that the chip is changed from strip chip to serrated chip while the cutting speed is more than 48.75 m/min. The serrated chip formation process leads to the fluctuation of cutting force in the cutting process. The variation of cutting force is consistent with the variation of serrated chip. The width of the plastic deformation zone decreases with the increase of the cutting speed.

TC4 Titanium alloy，Cutting speed，Serrated chip，Plastic deformation，Cutting force

2016-11-22

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31123027)；北京市教委科技計(jì)劃項(xiàng)目(KM201410009004)

劉東，1976年出生，副教授，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。E-mail：liudong@ncut.edu.cn

TG506.1

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.016