鈦合金TC4銑削試驗研究

摘 要：本文通過對TC4鈦合金鍛件進行單因素銑削實驗，得出其切屑形態隨著銑削深度ap的增大將由緊密螺旋狀逐漸變為松散狀的結論。通過銑削率模型，找到了在特定銑削速度和進給速度下，銑削鈦合金的最佳深度范圍，對于鈦合金銑削加工具有生產指導意義。

關鍵詞：鈦合金；切屑形態；銑削深度；銑削體積；銑削時間；銑削率

0引言

鈦合金具有質量輕、強度高、高溫性能好、耐腐蝕等許多優點.在航空航天、船舶和化工等工業部門得到廣泛的應用。但由于鈦合金導熱系數低、摩擦因數大、彈性模量小、化學活性大、切屑與前刀面的接觸面積小，使得鈦合金切削加工性較差。

目前TC4應用比較廣泛，是以α相為主的雙相合金，β相一般少于30%，其綜合性能好，組織穩定，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能。但是，在高速條件的切削力、切削溫度以及刀具磨損機理等方面還有很多現象解釋不清，對工件的表面質量的影響方面等問題，針對這些問題國內外學者做過很多研究。

Narutaki對鈦合金TC4的切削力和切削溫度進行研究得到：切削鈦合金時刀具磨損并非切削力所致，而切削溫度是致使鈦合金難以繼續切削的主要原因。F. Klocke， N等人在分析和實驗的基礎上，對涂層硬質合金刀具銑削TC4的效率進行了評價，用有限元的方法對切削時的應力-應變曲線進行分析。

1試驗材料及過程

1.1試驗材料

試驗材料為TC4鈦合金鍛件，尺寸為290mm×192 mm×65mm，其化學成分見表1。

表1 TC4鈦合金的化學成分%

1.2試驗條件與過程

圖1 銑削實驗現場 1.主軸 2.立銑刀 3.實驗工件 4.工作

2實驗結果及分析

2.1實驗結果

（1）不同銑削深度下銑削鈦合金所得的切屑形態宏觀照片，如圖3，從圖中可以看出：鈦合金切屑較短，并以曲面形狀彎曲，外部光滑明亮，內部粗糙暗黑，肉眼可看到切屑表面存在鋸齒紋理；不同銑削深度ap所對應的切屑形態也不一致，且隨ap值的增加，鈦合金切屑基本上呈現由較緊密的螺旋狀，逐漸轉變為松散的卷曲狀的特點。

（1） ap=0.82mm （2）ap=1.82mm （3）ap=2.94mm

圖2 不同銑削深度ap下鈦合金的切屑形態

（2）每刀銑削體積和每刀銑削時間

每刀銑削體積，是指立銑刀在每個臺階面所切除的鈦合金體積總量，用V表示，單位為mm-3。

總長度，用T表示，單位為s，實驗結果用秒表測得。

2.2實驗分析

（1）鈦合金切屑形成過程

在金屬切削加工時，切屑卷曲是金屬切削過程的一種基本現象，當切屑沿前刀面流動時，切屑底層的流動速度較切屑的其他部分緩慢得多，產生了滯留現象，并發生了二次塑性變形，于是切屑以曲面形狀彎曲。

圖3 切屑的形成過程示意圖

TC4鈦合金變形系數s約為1，加工時，經常出現擠裂切屑，可以在（1.5-4800）m/min的切削速度范圍內形成鋸齒狀切屑。與通常的帶狀切屑不同，鈦合金的切屑是由許多微小的單元組成的，鈦合金的切削變形有典型的局部剪切特征，一個切屑單元由變形很小的屑段和剪切變形極大的集中剪切區兩部分組成。在屑段的內部，沒有明顯的變形現象，而在屑段連接的地方，材料發生了明顯的剪切變形，形成了集中剪切區。

（2）鈦合金銑削率η與銑削深度ap之間的關系

圖4 銑削率和銑削深度的η-ap關系圖

3結 論

通過對鈦合金TC4進行銑削試驗及結果分析，可以得到以下結論：

（1）銑削深度對鈦合金切屑形態有一定影響。鈦合金切屑有鋸齒紋理，且隨著由緊密的螺旋狀形態，逐漸轉變為松散的卷曲狀形態。

（2）銑削率η與銑削深度關系密切，銑削深度越大，銑削率越大，且變化明顯。因此，為提高鈦合金銑削率，可采用增加銑削深度的方法予以實現。

參考文獻

[1]張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應用[M].北京：化學工業大學出版社，2005.3.

[2]張泠，劉海東.鈦合金高速銑削試驗研究[J].煤礦機械，2007，28（12）：113-115.

作者簡介：張宇建（1991—），男，浙江省龍游縣，西華大學在讀碩士研究生，主要研究方向：機械設計及理論。