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減速機網(wǎng) 不同介質(zhì)下高速銑削鈦合金時切屑的變形研究 減速機網(wǎng)
來源:減速機信息網(wǎng)    時間:2008-5-23 9:26:17  責任編輯:lihongwei  
  鈦合金的切屑變形研究起始于二十世紀五十年代, 許多國外的著名學者如M.C.Shaw,N.H.Cook,O.W.Boston, M.E.Merchant, M.Field, R.Komanduri,H.Schulz 等人都做了大量的研究工作; 國內(nèi)的一些高校和科研院所如西北工業(yè)大學、南京航空航天大學等也從事了相關(guān)的研究。 目前, 關(guān)于切屑變形的研究多集中在變化切削參數(shù)、刀具材料、刀具幾何尺寸等方面,特別是對低速切削狀態(tài)下的切屑變形規(guī)律的研究比較多。對于變化切削介質(zhì)特別是采用干切削或無污染、少污染的切削介質(zhì)時的切屑變形的高速切削試驗研究還很少。另外,關(guān)于切削變形規(guī)律的研究,以車削居多,而高速銑削方面的研究比較少。本文重點對干銑削、空氣油霧和氮氣油霧介質(zhì)下高速銑削鈦合金時的切屑變形規(guī)律進行試驗研究。

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圖1 試驗用刀片及銑削示意圖

表1 銑削參數(shù)
切削參數(shù) 參數(shù)取值
銑削速度vc(m/min) 190 250 275 300
軸向切深ap(mm) 5 7
徑向切深ae(mm) 1
每齒進給fz(mm/r) 0.1
刀具懸長L(mm) 46

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(ap=7mm,vc=250m/min,rs=1.6mm)
圖2 不同介質(zhì)下的切屑狀態(tài)

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(ap(ap=5mm,rs=0mm)
圖3 空氣油霧時不同銑削速度下的切屑形態(tài)

  1 試驗方案鈦合金高速銑削的切屑變形試驗所用刀具和刀片如圖1所示。刀片為K40硬質(zhì)合金刀片。刀具有關(guān)幾何參數(shù)如下:直徑25mm,齒數(shù)2;刀尖圓弧半徑rs:0mm 和1.6mm,前角:25°,后角:30°,主偏角:90°,修光刃長度:1.2mm,切削刃長度15mm。采用順銑的方式,分別在干銑削、空氣油霧和氮氣油霧介質(zhì)下開展高速銑削試驗,分析研究銑削速度、銑削介質(zhì)對鈦合金切屑變形的影響。銑削參數(shù)見表1。 2 試驗結(jié)果分析 切屑變形的宏觀分析 不同介質(zhì)下的切屑形態(tài) 不同介質(zhì)下高速銑削鈦合金時,由于刀具與切屑之間的摩擦狀況和散熱條件不同,切屑的形狀和表面狀況也有一定差異,如圖2所示。與干銑削相比,刀具與切屑之間的摩擦較大,銑削區(qū)溫度高,切屑流經(jīng)前刀面后的變形較大,切屑表面的條形褶皺較多、平整性差。 不同銑削速度下的切屑形態(tài) 鈦合金的高速銑削試驗中, 在不同的銑削速度的情況下所產(chǎn)生的切屑形態(tài)來分析是有很大的區(qū)別的,因此銑削速度對切屑宏觀形態(tài)的影響較大,圖3即為在不同的銑削速度下的切屑照片。 從上圖的分析可以得出隨著銑削速度的增加,切屑的形態(tài)越來越規(guī)則, 尤其是當銑削速度達到300m/mim 時,經(jīng)過計算和測量,切屑的長寬和理論值很接近(鈦合金的變形系數(shù)很小幾乎等于1,甚至小于1)。產(chǎn)生不規(guī)則切屑的原因主要是速度越低,切屑和刀具接觸的時間越長, 切屑和刀具之間摩擦時間就較長, 因而速度較低時切屑的變形就比較明顯, 而速度越高時, 切屑受到刀具摩擦的時間就越短,切屑的變形就越不明顯;另外隨著銑削速度的增大,銑削溫度會逐漸升高,摩擦系數(shù)下降,切屑受到的摩擦力越小,因而切屑的變形就越小。通過試驗,發(fā)現(xiàn)不同速度下高速銑削鈦合金時,干銑削和氮氣油霧介質(zhì)時的切屑形貌也有相同的規(guī)律,在此不再分析。

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(ap=7mm,vc=300m/min,rs=1.6mm)
圖4 不同切削介質(zhì)下切屑局部正面SEM 照片

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(ap(ap=5mm,vc=300m/min,rs=1.6mm)
圖5 氮氣油霧介質(zhì)下切屑裂紋區(qū)的SEM照片

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(ap(ap=7mm,vc=300m/min,rs=1.6mm)
圖6 不同介質(zhì)下切屑的金相照片

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

切屑變形的微觀分析 從圖4可以看出, 不同介質(zhì)下切屑的表面微觀形態(tài)也有不同, 在氮氣油霧介質(zhì)下的切屑上存在著一些微裂紋(圖4(c)),這些微裂紋主要分布在切屑的邊緣和端部, 微裂紋大多與切屑沿前刀面的滑移方向相同(圖5 的Ⅰ區(qū)),少部分微裂紋與切屑滑移方向垂直(圖5 的Ⅱ區(qū))。氮氣油霧介質(zhì)下切屑產(chǎn)生微裂紋的原因可能是:一、氮氣油霧噴射到切削區(qū),瞬間帶走了大量的熱量, 使切屑產(chǎn)生熱應力和熱裂紋;二、氮氣油霧中氮與切屑中的鈦發(fā)生化學反應,生成較脆的氮化鈦, 這些氮化鈦分布在切屑表面和內(nèi)部,使切屑在強烈的擠壓和摩擦下易于脆裂。 由于空氣油霧也在切削中帶走大量的熱量,但其切屑不存在微裂紋(圖4(a)),所以第一種可能性是不成立的, 因此可以認為微裂紋是由于氮的存在造成的。切屑易于脆裂,就會減少切屑流經(jīng)前刀面時對銑刀的沖擊,從而在一定程度上減少銑削力。 切屑的金相分析 金相照片的對比 鈦合金切屑在形成過程中, 材料的塑性變性較大, 由此而產(chǎn)生的加工硬化時切屑在剪切滑移面的應力增加,局部達到了材料的強度極限,此時,切屑只在上部被擠裂而下部仍舊相連, 亦即靠近前刀面的一面很光滑,另一面呈鋸齒狀,形成集中剪切滑移切屑。 圖6顯示出, 氮氣油霧下切屑的節(jié)狀化趨勢非常明顯,切屑底部的連接已變得很少,有時切屑節(jié)與節(jié)之間近乎分離?諝庥挽F下切屑的節(jié)狀化趨勢雖然比干銑削時明顯,但不如氮氣油霧。 造成氮氣油霧和空氣油霧下切屑節(jié)狀化比干銑削明顯的原因, 是因為油霧的冷卻作用使切屑剪切滑移面的鈦合金塑性降低, 切屑易于在沿滑移面處剪裂。氮氣油霧下由于氮與鈦在剪切滑移面上生成了脆的TiN,在高速下,高的剪切力使切屑的集中剪切滑移作用加強,從而使切屑的節(jié)狀特征更加突出。

  

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圖7 銑削速度對剪切角的影響(r=1.6)

剪切角f的比較 圖7為剪切角f隨速度變化的曲線。該圖表明,隨著銑削速度的增加,空氣油霧、氮氣油霧和干銑削條件的鈦合金切屑剪切角都有增加的趨勢,也即切屑變形減小的趨勢, 特別是銑削速度超過275m/min 時,這種趨勢更加明顯。產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因有兩方面,一方面是因為變形時間縮短,鈦合金的變形減。 另一方面是因為切屑速度對前刀面平均摩擦系數(shù)有影響, 高速切削時, 切削速度越大,前刀面平均摩擦系數(shù)越小。當切削速度很大時,由于切削溫度很高,切屑底層軟化,形成薄薄的微溶層,在這種情況下,切削速度的變化對切屑變形的影響已很小。 此外,在相同速度下,氮氣油霧下切屑的剪切角大于空氣油霧。其原因是由于氮氣介質(zhì)下的切屑的剪切滑移面上有氮化鈦存在, 剪切滑移面的塑性降低, 切屑在集中剪切滑移過程中更容易發(fā)生塑性失穩(wěn),因而切屑的變形減少,剪切角f減小。 3 結(jié)論通過不同介質(zhì)下鈦合金切屑變形的高速銑削試驗研究,可以得出以下幾點結(jié)論: 干銑削時,刀具與切屑之間的摩擦較大,銑削區(qū)溫度高,切屑流經(jīng)前刀面后的變形較大,切屑表面的條形褶皺較多、平整性差。 隨著銑削速度的增加,切屑的形態(tài)越來越規(guī)則。 不同介質(zhì)下切屑的表面微觀形態(tài)也有不同,空氣油霧下切屑的節(jié)狀化比和干銑削時明顯, 但不如氮氣油霧。在氮氣油霧介質(zhì)下的切屑上存在著較多微裂紋、切屑更容易脆斷。 在相同速度下, 氮氣油霧和空氣油霧下的切屑剪切角f大于干銑削和空氣油霧,即切屑變形系數(shù)低于干銑削和空氣油霧,空氣油霧剪切角f大于干銑削。

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