切削速度對高速車削TC4鈦合金切削力影響研究與分析

胡木林

摘 要 鈦合金因具有一系列優點而被廣泛用于航空、海洋、軍工、醫療等多個領域。高速切削因具有切削效率高、加工質量高、經濟性良好等特點，成為先進制造技術的一個重要發展方向。但在高速切削鈦合金過程中會引起刀具磨損加快、切削力矛盾變化等一系列問題，通過理論分析與仿真試驗對比，深入研究鈦合金切削時切削速度對切削力影響，提高鈦合金的切削加工效率和加工質量。

關鍵詞 鈦合金；切削速度；切削力

中圖分類號：TG146.2+3 文獻標識碼：B

文章編號：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

鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬。鈦合金因具有比強度（強度/密度）高、高溫強度好（耐熱性能好）、抗腐蝕性好、耐低溫性好、導熱系數小、彈性模量小等一系列特點，而被廣泛用于航空、海洋、軍工、醫療等各個領域。在我國，鈦資源比較豐富，但鈦合金的切削條件要求非常高，尤其是對切削速度特別敏感，不恰當的切削參數會引起極大的切削力，造成刀具急劇磨損，影響刀具使用壽命。

2 鈦合金分類

鈦是同素異形體，在常溫下鈦合金有3種基本組織，通過向純鈦中添加鋁、鉬、釩、鉻等其他合金元素，改變其相組織成分與相變溫度而得到不同組織的鈦合金（表1）。其中，α鈦合金的切削加工性最好，α+β鈦合金次之，β鈦合金切削加工性最差。因此，在鈦合金的使用中，α與α+β鈦合金應用較為廣泛，尤其是以典型的Ti-Al-V系列馬氏體α+β兩相鈦合金Ti6A14V應用最為普遍，幾乎占鈦合金使用總量50%以上。

3 鈦合金的切削加工性

材料加工的難易程度取決于材料多種特性。鈦合金是一種難以加工的材料，其切削加工性很差，當硬度大于HB350

時難于切削，硬度小于HB300時容易出現粘刀。綜合影響鈦合金切削加工性的因素如下。

變形系數小 切屑沿著前刀面滑動產生大的摩擦阻力，刀具磨損加劇。

切削區溫度高 鈦合金材料導熱系數小，散熱性能差，刀具和工件、刀具和切屑之間摩擦產生的切削熱將集中在切削刃附近，極易造成工件燒灼，刀具軟化硬度下降，刀具磨損嚴重等現象。

彈性模量小 鈦合金的彈性模量小，導致在切削過程中，在切削力的作用下產生較大的彈性恢復，回彈量達到一定程度后，會使刀具的切削后角減小，增大后刀面與工件加工表面之間的摩擦。

刀尖應力大 通常鈦合金材料的切削應力是中碳鋼的1.3倍，容易造成刀具崩刃、磨損。

化學活性大 在一定的切削溫度下，鈦合金很容易吸收空氣中的O、N、H等元素，形成氧化鈦、氮化鈦、氫化鈦等硬皮，使表面硬化和變脆，塑性變低，加工硬化程度變高，刀具磨損加劇。

粘結磨損明顯 在高溫條件下，鈦合金元素容易與刀具材料親和、擴散，導致產生粘結磨損。

4 切削速度vc對切削力的影響原理

金屬切削時刀具前刀面的力通過切屑傳遞給剪切面上，剪切面上變形需要的力由兩部分構成：

一是剪切力Fs；

二是切削層材料沿著剪切面滑移造成動能改變所需要的附加力Fm（達朗伯慣性力），如圖1所示。

其中：

總切削力F：

在切削速度vc小于1500 m/min時，Fm相比Fs小得多，可以忽略不計的情況下簡寫為：

把式4-1代入式4-4得：

式中，Ff為后刀面的摩擦力，Ss為剪切面上的剪應力，Ac為切削層截面積。

車削Ac=f.ap，代入后可得切削力為：

由上述可知，當刀具前角γ0、工件材料ρ、切削層截面積Ac一定時，φ、β成為剪切力Fs和切屑慣性力Fm的決定性影響因素，而φ、β的大小又直接受切削速度vc影響（剪切角φ與切削速度vc之間的關系如圖2所示）。

當切削速度vc低時，開始剪切變形面為OA，結束剪切變形面為OM，剪切角為φ；但當切削速度vc逐漸升高，達到高速切削時，切屑流動速率大于材料塑性變形的速率，切屑尚未在初始剪切變形面OA上明顯形變就已到達OA′線上，終止于終剪切面變為OM′，剪切角變為φ′，當前第一變形區后移內使剪切角φ增大（圖中φ′>φ）。前刀面的平均摩擦系數μ也受切削速度νc的影響，在高速切削區，νc變大會直接很快提高切削區溫度，高溫致使金屬材料軟化，剪切塑性變形容易，μ減小（摩擦系數μ=tanβ），則摩擦角β減小。

麥錢特（Merchant）剪切角公式：

考慮慣性力時的高速切削方程式：

變形系數ξ方程：

隨著切削速度vc提高，剪切角φ增大，切屑變形系數ξ減小，從理論上分析，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，當其他條件不變時，隨著切削速度νc的增加，剪切角φ增大，剪切力Fs在減小，但切削慣性力Fm卻在增加。顯然，切削速度νc對切削力的影響是綜合剪切力Fs與切屑慣性力Fm正反矛盾的結果。

5 車削鈦合金時切削速度影響切削力實驗仿真分析

實驗軟件采用Deform 3D Ver6.1。Deform 3D是SFTC（Scientific Forming Technologies Corporation）公司的有限元工藝分析軟件，該軟件通過成熟的數學理論和分析模型，廣泛用于零件制造（熱、冷、溫成形，熱處理，機加工）等金屬成形工藝設計過程的模擬，應用效果成熟可靠。

參數設置 選擇機械加工類型為車削，單位標準SI；工作環境溫度20 ℃，冷卻物的熱傳導率為0.02 N/s·mm·℃；平均摩擦系數0.6，熱傳導系數0.4 N/s·mm·℃ 。

刀具的設定 選擇刀具類型為第二類標準55°菱形DNMA432刀片，法向后角為0°，刀尖圓弧半徑為0.2 mm，材料為Co-WC類YG硬質合金，網格數35 000個。

工件的設定 選擇Ti6Al4V為工件加工材料，切削外圓模式，毛坯直徑Φ50 mm，工件表面劃分網格數60 000個。

模擬條件 存儲增量為每25步存儲一次，總共計算步數1000步，切削終止角度為20°，刀具磨損系數a=0.000 001，

b=850。

切削速度vc對切削力影響分析 設定被吃刀量ap=0.8 mm、

進給量f=0.3 mm/r進行改變切削速度仿真切削模擬，分別提取切削速度vc為60 m/min、100 m/min、140 m/min、180 m/min、200 m/min、220 m/min、240 m/min、260 m/min時主切削力Fy、進給力Fx、吃刀抗力Fz的數值。部分數值如圖3所示（vc=100 m/min，節選部分）。

模擬加工后，計算在300個計算步數內的不同切削速度時Fy、Fx、Fz的平均值，畫出以切削速度vc為自變量，Fy、Fx、Fz各個切削分力平均值為函數的變化曲線圖，如圖4所示。從圖4可知，隨著vc的增加，主切削力Fy在不斷變化。當vc達到60 m/min時，主切削力Fy達到最大值；當vc繼續增加到100 m/min時，主切削力Fy反而減到最小；當vc超過100 m/min時，Fy、Fx、Fz在一定范圍內波動，vc的增大對切削力的影響較小，總體趨于穩定。在低速切削范圍內，隨著切削速度vc的不斷增加，切削溫度上升，刀具磨損加劇，加工硬化嚴重，切削力逐漸上升，切削力波動較大。

隨著切削速度vc的不斷增加，尤其是當vc>100 m/min

時，切削溫度較高，加工軟化因素占主導，提高了刀具與工件的相對硬度比，導致切削力下降。根據理論公式4-7、4-9分析也可得，隨著切削速度νc的上升，剪切角φ增大，摩擦系數μ減小，變形系數ξ減小，剪切力下降，因而切削力減小；但根據公式4-2，在高速切削時隨著切削速度vc的不斷增加，切屑慣性力Fm會逐漸增大，此消彼長。因此，總體來說，切削力的數值基本穩定。

6 總結

鈦合金切削過程中，切削速度vc影響切削力的過程有正反矛盾的比較復雜的兩方面，是剪切力Fs與切屑慣性力Fm的綜合作用結果。在高速切削時，高的切削溫度引起金屬材料軟化，剪切角隨著摩擦系數的降低而增大，剪切力Fs隨著剪切角增大而減小；但切削速度越高，切屑慣性力Fm增加，相對于剪切力而言，其增加的幅度可以忽略不計，故在高速切削范圍內，切削力隨切削速度vc的提高進入穩態切削后，切削力總體趨于穩定或者有下降趨勢。

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