论文部分内容阅读
摘 要 钛合金因具有一系列优点而被广泛用于航空、海洋、军工、医疗等多个领域。高速切削因具有切削效率高、加工质量高、经济性良好等特点，成为先进制造技术的一个重要发展方向。但在高速切削钛合金过程中会引起刀具磨损加快、切削力矛盾变化等一系列问题，通过理论分析与仿真试验对比，深入研究钛合金切削时切削速度对切削力影响，提高钛合金的切削加工效率和加工质量。
关键词 钛合金；切削速度；切削力
中图分类号：TG146.2 3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）04-0138-04
Abstract With the characteristics of high efficiency， high quality and
good economic performance， high speed cutting is becoming an im-portant direction of advanced manufacturing technology. However， cutting titanium alloy with high speed will cause a series of problems，
like accelerating cutting-tool wear， paradoxical change of cutting force and etc. Through theory analysis and simulated tests， the author
deeply studied the impact of cutting speed on cutting force when cutting titanium alloy in order to raise processing efficiency and quality.
Key words titanium alloy； cutting speed； cutting force
1 引言
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属。钛合金因具有比强度（强度/密度）高、高温强度好（耐热性能好）、抗腐蚀性好、耐低温性好、导热系数小、弹性模量小等一系列特点，而被广泛用于航空、海洋、军工、医疗等各个领域。在我国，钛资源比较丰富，但钛合金的切削条件要求非常高，尤其是对切削速度特别敏感，不恰当的切削参数会引起极大的切削力，造成刀具急剧磨损，影响刀具使用寿命。
2 钛合金分类
钛是同素异形体，在常温下钛合金有3种基本组织，通过向纯钛中添加铝、钼、钒、铬等其他合金元素，改变其相组织成分与相变温度而得到不同组织的钛合金（表1）。其中，α钛合金的切削加工性最好，α β钛合金次之，β钛合金切削加工性最差。因此，在钛合金的使用中，α与α β钛合金应用较为广泛，尤其是以典型的Ti-Al-V系列马氏体α β两相钛合金Ti6A14V应用最为普遍，几乎占钛合金使用总量50%以上。
3 钛合金的切削加工性
材料加工的难易程度取决于材料多种特性。钛合金是一种难以加工的材料，其切削加工性很差，当硬度大于HB350
时难于切削，硬度小于HB300时容易出现粘刀。综合影响钛合金切削加工性的因素如下。
变形系数小 切屑沿着前刀面滑动产生大的摩擦阻力，刀具磨损加剧。
切削区温度高 钛合金材料导热系数小，散热性能差，刀具和工件、刀具和切屑之间摩擦产生的切削热将集中在切削刃附近，极易造成工件烧灼，刀具软化硬度下降，刀具磨损严重等现象。
弹性模量小 钛合金的弹性模量小，导致在切削过程中，在切削力的作用下产生较大的弹性恢复，回弹量达到一定程度后，会使刀具的切削后角减小，增大后刀面与工件加工表面之间的摩擦。
刀尖应力大 通常钛合金材料的切削应力是中碳钢的1.3倍，容易造成刀具崩刃、磨损。
化学活性大 在一定的切削温度下，钛合金很容易吸收空气中的O、N、H等元素，形成氧化钛、氮化钛、氢化钛等硬皮，使表面硬化和变脆，塑性变低，加工硬化程度变高，刀具磨损加剧。
粘结磨损明显 在高温条件下，钛合金元素容易与刀具材料亲和、扩散，导致产生粘结磨损。
4 切削速度vc对切削力的影响原理
金属切削时刀具前刀面的力通过切屑传递给剪切面上，剪切面上变形需要的力由两部分构成：
一是剪切力Fs；
二是切削层材料沿着剪切面滑移造成动能改变所需要的附加力Fm（达朗伯惯性力），如图1所示。
其中：
总切削力F：
在切削速度vc小于1500 m/min时，Fm相比Fs小得多，可以忽略不计的情况下简写为：
把式4-1代入式4-4得：
式中，Ff为后刀面的摩擦力，Ss为剪切面上的剪应力，Ac为切削层截面积。
车削Ac=f.ap，代入后可得切削力为：
由上述可知，当刀具前角γ0、工件材料ρ、切削层截面积Ac一定时，φ、β成为剪切力Fs和切屑惯性力Fm的决定性影响因素，而φ、β的大小又直接受切削速度vc影响（剪切角φ与切削速度vc之间的关系如圖2所示）。
当切削速度vc低时，开始剪切变形面为OA，结束剪切变形面为OM，剪切角为φ；但当切削速度vc逐渐升高，达到高速切削时，切屑流动速率大于材料塑性变形的速率，切屑尚未在初始剪切变形面OA上明显形变就已到达OA′线上，终止于终剪切面变为OM′，剪切角变为φ′，当前第一变形区后移内使剪切角φ增大（图中φ′>φ）。前刀面的平均摩擦系数μ也受切削速度νc的影响，在高速切削区，νc变大会直接很快提高切削区温度，高温致使金属材料软化，剪切塑性变形容易，μ减小（摩擦系数μ=tanβ），则摩擦角β减小。 麦钱特（Merchant）剪切角公式：
考虑惯性力时的高速切削方程式：
变形系数ξ方程：
随着切削速度vc提高，剪切角φ增大，切屑变形系数ξ减小，从理论上分析，高速切削可以改善材料的切削加工性。但由式4-1、4-2可知，当其他条件不变时，随着切削速度νc的增加，剪切角φ增大，剪切力Fs在减小，但切削惯性力Fm却在增加。显然，切削速度νc对切削力的影响是综合剪切力Fs与切屑惯性力Fm正反矛盾的结果。
5 车削钛合金时切削速度影响切削力实验仿真分析
实验软件采用Deform 3D Ver6.1。Deform 3D是SFTC（Scientific Forming Technologies Corporation）公司的有限元工艺分析软件，该软件通过成熟的数学理论和分析模型，广泛用于零件制造（热、冷、温成形，热处理，机加工）等金属成形工艺设计过程的模拟，应用效果成熟可靠。
参数设置 选择机械加工类型为车削，单位标准SI；工作环境温度20 ℃，冷却物的热传导率为0.02 N/s·mm·℃；平均摩擦系数0.6，热传导系数0.4 N/s·mm·℃ 。
刀具的设定 选择刀具类型为第二类标准55°菱形DNMA432刀片，法向后角为0°，刀尖圆弧半径为0.2 mm，材料为Co-WC类YG硬质合金，网格数35 000个。
工件的设定 选择Ti6Al4V为工件加工材料，切削外圆模式，毛坯直径Φ50 mm，工件表面划分网格数60 000个。
模拟条件 存储增量为每25步存储一次，总共计算步数1000步，切削终止角度为20°，刀具磨损系数a=0.000 001，
b=850。
切削速度vc对切削力影响分析 设定被吃刀量ap=0.8 mm、
进给量f=0.3 mm/r进行改变切削速度仿真切削模拟，分别提取切削速度vc为60 m/min、100 m/min、140 m/min、180 m/min、200 m/min、220 m/min、240 m/min、260 m/min时主切削力Fy、进给力Fx、吃刀抗力Fz的数值。部分数值如图3所示（vc=100 m/min，节选部分）。
模拟加工后，计算在300个计算步数内的不同切削速度时Fy、Fx、Fz的平均值，画出以切削速度vc为自变量，Fy、Fx、Fz各个切削分力平均值为函数的变化曲线图，如图4所示。从图4可知，随着vc的增加，主切削力Fy在不断变化。当vc达到60 m/min时，主切削力Fy达到最大值；当vc继续增加到100 m/min時，主切削力Fy反而减到最小；当vc超过100 m/min时，Fy、Fx、Fz在一定范围内波动，vc的增大对切削力的影响较小，总体趋于稳定。在低速切削范围内，随着切削速度vc的不断增加，切削温度上升，刀具磨损加剧，加工硬化严重，切削力逐渐上升，切削力波动较大。
随着切削速度vc的不断增加，尤其是当vc>100 m/min
时，切削温度较高，加工软化因素占主导，提高了刀具与工件的相对硬度比，导致切削力下降。根据理论公式4-7、4-9分析也可得，随着切削速度νc的上升，剪切角φ增大，摩擦系数μ减小，变形系数ξ减小，剪切力下降，因而切削力减小；但根据公式4-2，在高速切削时随着切削速度vc的不断增加，切屑惯性力Fm会逐渐增大，此消彼长。因此，总体来说，切削力的数值基本稳定。
6 总结
钛合金切削过程中，切削速度vc影响切削力的过程有正反矛盾的比较复杂的两方面，是剪切力Fs与切屑惯性力Fm的综合作用结果。在高速切削时，高的切削温度引起金属材料软化，剪切角随着摩擦系数的降低而增大，剪切力Fs随着剪切角增大而减小；但切削速度越高，切屑惯性力Fm增加，相对于剪切力而言，其增加的幅度可以忽略不计，故在高速切削范围内，切削力随切削速度vc的提高进入稳态切削后，切削力总体趋于稳定或者有下降趋势。
参考文献
[1]娄贯涛.钛合金的研究应用现状及其发展方向[J].钛工业进展，2003（2）：9-13.
[2]杨振朝，等.高速铣削速度对TC4钛合金表面完整性影响机理[J].南京航空航天大学学报，2009，41（5）：
644-648.
[3]刘战强，等.高速铣削中切削力的研究[J].中国机械工程，2003（9）：734-737.
[4]吴欣，等.钛合金零件高速铣削刀具磨损实验研究中切削力的研究[J].电子机械工程，2009，25（6）：41-45.
[5]韩冰，等.切削速度对车削TC4钛合金硬质合金刀具磨损影响[J].沈阳理工大学学报，2015，34（1）：5-8.
[6]许光彬，等.数控高速车削TC4温度仿真研究[J].机械设计与制造，2015（7）：120-123.
关键词 钛合金；切削速度；切削力
中图分类号：TG146.2 3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）04-0138-04
Abstract With the characteristics of high efficiency， high quality and
good economic performance， high speed cutting is becoming an im-portant direction of advanced manufacturing technology. However， cutting titanium alloy with high speed will cause a series of problems，
like accelerating cutting-tool wear， paradoxical change of cutting force and etc. Through theory analysis and simulated tests， the author
deeply studied the impact of cutting speed on cutting force when cutting titanium alloy in order to raise processing efficiency and quality.
Key words titanium alloy； cutting speed； cutting force
1 引言
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属。钛合金因具有比强度（强度/密度）高、高温强度好（耐热性能好）、抗腐蚀性好、耐低温性好、导热系数小、弹性模量小等一系列特点，而被广泛用于航空、海洋、军工、医疗等各个领域。在我国，钛资源比较丰富，但钛合金的切削条件要求非常高，尤其是对切削速度特别敏感，不恰当的切削参数会引起极大的切削力，造成刀具急剧磨损，影响刀具使用寿命。
2 钛合金分类
钛是同素异形体，在常温下钛合金有3种基本组织，通过向纯钛中添加铝、钼、钒、铬等其他合金元素，改变其相组织成分与相变温度而得到不同组织的钛合金（表1）。其中，α钛合金的切削加工性最好，α β钛合金次之，β钛合金切削加工性最差。因此，在钛合金的使用中，α与α β钛合金应用较为广泛，尤其是以典型的Ti-Al-V系列马氏体α β两相钛合金Ti6A14V应用最为普遍，几乎占钛合金使用总量50%以上。
3 钛合金的切削加工性
材料加工的难易程度取决于材料多种特性。钛合金是一种难以加工的材料，其切削加工性很差，当硬度大于HB350
时难于切削，硬度小于HB300时容易出现粘刀。综合影响钛合金切削加工性的因素如下。
变形系数小 切屑沿着前刀面滑动产生大的摩擦阻力，刀具磨损加剧。
切削区温度高 钛合金材料导热系数小，散热性能差，刀具和工件、刀具和切屑之间摩擦产生的切削热将集中在切削刃附近，极易造成工件烧灼，刀具软化硬度下降，刀具磨损严重等现象。
弹性模量小 钛合金的弹性模量小，导致在切削过程中，在切削力的作用下产生较大的弹性恢复，回弹量达到一定程度后，会使刀具的切削后角减小，增大后刀面与工件加工表面之间的摩擦。
刀尖应力大 通常钛合金材料的切削应力是中碳钢的1.3倍，容易造成刀具崩刃、磨损。
化学活性大 在一定的切削温度下，钛合金很容易吸收空气中的O、N、H等元素，形成氧化钛、氮化钛、氢化钛等硬皮，使表面硬化和变脆，塑性变低，加工硬化程度变高，刀具磨损加剧。
粘结磨损明显 在高温条件下，钛合金元素容易与刀具材料亲和、扩散，导致产生粘结磨损。
4 切削速度vc对切削力的影响原理
金属切削时刀具前刀面的力通过切屑传递给剪切面上，剪切面上变形需要的力由两部分构成：
一是剪切力Fs；
二是切削层材料沿着剪切面滑移造成动能改变所需要的附加力Fm（达朗伯惯性力），如图1所示。
其中：
总切削力F：
在切削速度vc小于1500 m/min时，Fm相比Fs小得多，可以忽略不计的情况下简写为：
把式4-1代入式4-4得：
式中，Ff为后刀面的摩擦力，Ss为剪切面上的剪应力，Ac为切削层截面积。
车削Ac=f.ap，代入后可得切削力为：
由上述可知，当刀具前角γ0、工件材料ρ、切削层截面积Ac一定时，φ、β成为剪切力Fs和切屑惯性力Fm的决定性影响因素，而φ、β的大小又直接受切削速度vc影响（剪切角φ与切削速度vc之间的关系如圖2所示）。
当切削速度vc低时，开始剪切变形面为OA，结束剪切变形面为OM，剪切角为φ；但当切削速度vc逐渐升高，达到高速切削时，切屑流动速率大于材料塑性变形的速率，切屑尚未在初始剪切变形面OA上明显形变就已到达OA′线上，终止于终剪切面变为OM′，剪切角变为φ′，当前第一变形区后移内使剪切角φ增大（图中φ′>φ）。前刀面的平均摩擦系数μ也受切削速度νc的影响，在高速切削区，νc变大会直接很快提高切削区温度，高温致使金属材料软化，剪切塑性变形容易，μ减小（摩擦系数μ=tanβ），则摩擦角β减小。 麦钱特（Merchant）剪切角公式：
考虑惯性力时的高速切削方程式：
变形系数ξ方程：
随着切削速度vc提高，剪切角φ增大，切屑变形系数ξ减小，从理论上分析，高速切削可以改善材料的切削加工性。但由式4-1、4-2可知，当其他条件不变时，随着切削速度νc的增加，剪切角φ增大，剪切力Fs在减小，但切削惯性力Fm却在增加。显然，切削速度νc对切削力的影响是综合剪切力Fs与切屑惯性力Fm正反矛盾的结果。
5 车削钛合金时切削速度影响切削力实验仿真分析
实验软件采用Deform 3D Ver6.1。Deform 3D是SFTC（Scientific Forming Technologies Corporation）公司的有限元工艺分析软件，该软件通过成熟的数学理论和分析模型，广泛用于零件制造（热、冷、温成形，热处理，机加工）等金属成形工艺设计过程的模拟，应用效果成熟可靠。
参数设置 选择机械加工类型为车削，单位标准SI；工作环境温度20 ℃，冷却物的热传导率为0.02 N/s·mm·℃；平均摩擦系数0.6，热传导系数0.4 N/s·mm·℃ 。
刀具的设定 选择刀具类型为第二类标准55°菱形DNMA432刀片，法向后角为0°，刀尖圆弧半径为0.2 mm，材料为Co-WC类YG硬质合金，网格数35 000个。
工件的设定 选择Ti6Al4V为工件加工材料，切削外圆模式，毛坯直径Φ50 mm，工件表面划分网格数60 000个。
模拟条件 存储增量为每25步存储一次，总共计算步数1000步，切削终止角度为20°，刀具磨损系数a=0.000 001，
b=850。
切削速度vc对切削力影响分析 设定被吃刀量ap=0.8 mm、
进给量f=0.3 mm/r进行改变切削速度仿真切削模拟，分别提取切削速度vc为60 m/min、100 m/min、140 m/min、180 m/min、200 m/min、220 m/min、240 m/min、260 m/min时主切削力Fy、进给力Fx、吃刀抗力Fz的数值。部分数值如图3所示（vc=100 m/min，节选部分）。
模拟加工后，计算在300个计算步数内的不同切削速度时Fy、Fx、Fz的平均值，画出以切削速度vc为自变量，Fy、Fx、Fz各个切削分力平均值为函数的变化曲线图，如图4所示。从图4可知，随着vc的增加，主切削力Fy在不断变化。当vc达到60 m/min时，主切削力Fy达到最大值；当vc继续增加到100 m/min時，主切削力Fy反而减到最小；当vc超过100 m/min时，Fy、Fx、Fz在一定范围内波动，vc的增大对切削力的影响较小，总体趋于稳定。在低速切削范围内，随着切削速度vc的不断增加，切削温度上升，刀具磨损加剧，加工硬化严重，切削力逐渐上升，切削力波动较大。
随着切削速度vc的不断增加，尤其是当vc>100 m/min
时，切削温度较高，加工软化因素占主导，提高了刀具与工件的相对硬度比，导致切削力下降。根据理论公式4-7、4-9分析也可得，随着切削速度νc的上升，剪切角φ增大，摩擦系数μ减小，变形系数ξ减小，剪切力下降，因而切削力减小；但根据公式4-2，在高速切削时随着切削速度vc的不断增加，切屑惯性力Fm会逐渐增大，此消彼长。因此，总体来说，切削力的数值基本稳定。
6 总结
钛合金切削过程中，切削速度vc影响切削力的过程有正反矛盾的比较复杂的两方面，是剪切力Fs与切屑惯性力Fm的综合作用结果。在高速切削时，高的切削温度引起金属材料软化，剪切角随着摩擦系数的降低而增大，剪切力Fs随着剪切角增大而减小；但切削速度越高，切屑惯性力Fm增加，相对于剪切力而言，其增加的幅度可以忽略不计，故在高速切削范围内，切削力随切削速度vc的提高进入稳态切削后，切削力总体趋于稳定或者有下降趋势。
参考文献
[1]娄贯涛.钛合金的研究应用现状及其发展方向[J].钛工业进展，2003（2）：9-13.
[2]杨振朝，等.高速铣削速度对TC4钛合金表面完整性影响机理[J].南京航空航天大学学报，2009，41（5）：
644-648.
[3]刘战强，等.高速铣削中切削力的研究[J].中国机械工程，2003（9）：734-737.
[4]吴欣，等.钛合金零件高速铣削刀具磨损实验研究中切削力的研究[J].电子机械工程，2009，25（6）：41-45.
[5]韩冰，等.切削速度对车削TC4钛合金硬质合金刀具磨损影响[J].沈阳理工大学学报，2015，34（1）：5-8.
[6]许光彬，等.数控高速车削TC4温度仿真研究[J].机械设计与制造，2015（7）：120-123.