聚晶金剛石刀具高速銑削鈦合金切削溫度分析

劉 鵬，徐九華，傅玉燦

(南京航空航天大學機電學院，南京210016，1pace@163.com)

近年來，鈦與鈦合金在航空航天、化學、石油、醫療器械、食品加工、汽車、船舶、核工業等工業部門得到了廣泛的應用，這主要是由于其具有熱強度高、比強度高、高溫(低于500℃)抗腐蝕性好、抗斷裂性高等優良特性.同時，由于鈦合金具有高溫化學活性高、導熱系數小、摩擦系數大、彈性模量低等特點，導致其難以加工.通常在有冷卻液的環境中采用較低的切削速度來加工鈦合金，加工效率很低，不符合當前的綠色、高效的加工趨勢.采用高速、高效、綠色加工鈦合金越來越受到國內外學者的關注[1].

高速切削加工具有可提高生產效率，減少切削力，提高加工精度和表面質量，降低生產成本，以及可以加工高硬度材料等優點，因此該技術得到了迅速發展.銑削溫度對刀具磨損以及加工精度和已加工表面質量有著重要的影響，是決定銑削性能的重要參數之一.切削溫度是切削機理研究中的關鍵問題，在高速斷續切削過程中，在刀具磨損、周期性沖擊載荷以及切削變形等作用的影響下，通過數學建模及仿真建立的切削溫度模型與真實值往往存在較大差異;而利用統計回歸分析手段對切削溫度試驗數據進行分析，由此建立切削溫度數學模型，其準確性較好.通過高速切削試驗，研究切削溫度的變化規律及其影響因素，對揭示高速切削機理，提高零件表面完整性和刀具耐用度具有重要意義[2-7].

本文采用聚晶金剛石(Polycrystalline Diamond，簡稱PCD)刀具進行了TA15鈦合金高速銑削試驗，通過分析切削溫度隨切削用量的變化規律，得出了對切削溫度有顯著性影響的主要因素和交互因素.由此建立了切削溫度的數學預測模型，最后通過殘差分析方法驗證了模型的可信度.

1 試驗條件

高速切削試驗在Mikron UCP 710五坐標高速加工中心上進行，工件材料為鈦合金TA15，退火處理，其名義成分為 Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，其化學成分和力學物理性能分別見表1和表2.試驗用刀桿型號為 R217.69-2020.0-09-2A，刀片基體為硬質合金，型號為XOEX 090304F，PCD刀片中聚晶金剛石顆粒平均粒徑為10 μm.國內外學者對切削溫度的測量方法進行了大量研究[8-11]，本文采用半人工夾絲熱電偶法進行切削溫度的測量.

表1 TA15主要化學成分 %

表2 TA15主要力學性能(對鍛件，室溫)

本文通過分析PCD刀具高速切削TA15鈦合金時的切削溫度變化，得出切削溫度隨每齒進給量fz、切削速度v、徑向切深ae及軸向切深ap的變化規律.首先進行了2k因子試驗，在分析試驗數據的基礎上，找出對切削溫度有顯著影響的因素(包括主影響因素和交互影響因素).在此基礎上，進行可以確定交互影響的均勻試驗和單因素試驗，進一步研究各影響因素對切削溫度的影響.以上試驗中均采用采樣周期內的最大毫伏值對應的切削溫度值作為評價切削溫度的指標.試驗中均采用隨機次序進行試驗以減小隨機誤差的影響.

2k因子試驗中試驗因素及水平的確定見表3.其中第二行為試驗因素的高水平，第三行為試驗因素的低水平.

表3 2k因子設計因素水平表

2 結果與討論

2.1 切削溫度信號分析

圖1所示為 v=250 m/min，fz=0.08 mm，ae=10 mm，ap=1 mm時，典型的PCD刀具高速銑削TA15鈦合金熱電勢原始信號.其中，圖1(a)為熱電勢信號的原始圖，圖1(b)為其局部放大圖.

圖1 聚晶金剛石高速銑削鈦合金時的切削溫度信號

高速斷續切削鈦合金時，切削刃首先切斷康銅絲并將其焊在工件上形成熱接點，在切削刃切斷康銅絲的瞬間切削溫度呈現最大值，如圖1(b)中峰值A點所示，隨著切削過程的繼續，切削刃離開康銅絲，熱接點處的溫度逐漸下降，直至切削刃再次切斷康銅絲之前，熱接點處的溫度呈最小值，如圖1(b)中的B區域代表此過程.切削刃處的高溫會大大加劇刀具的磨損，而刀具磨損會使得切削溫度大幅升高，因此，本文采用切削溫度信號的上包絡線最高熱點勢對應的切削溫度來評價銑削溫度.

2.2 2k因子設計試驗

2k因子設計廣泛應用于多因素試驗研究，其最大優點是所獲得的信息量很多，可以準確地估計各試驗因素的主影響因素的大小，還可估計因素之間各級交互作用的大小.本文重點研究切削速度v，每齒進給量fz，軸向切深ap和徑向切深ae4個因素對切削溫度的影響規律，因此選用24因子設計.

通過對試驗結果進行分析，得出切削溫度各影響因素的正態概率分布圖如圖2所示.由正態概率分布的意義可知，在圖2中，對切削溫度影響越大的因素與直線的擬合度越差，即距擬合線越遠的點對切削溫度的影響越明顯，而越靠近擬合線影響因素值越小.由此可以看出，在PCD刀具高速銑削鈦合金TA15時，切削溫度的顯著影響因素次序為:切削速度v、切削寬度ae、切削速度和切削寬度之間的交互作用、每齒進給量fz.并且切削速度v、切削寬度ae、切削速度和切削寬度之間的交互作用以及每齒進給量fz均為正影響因素，即切削溫度隨著其影響因素水平的增大而升高.

圖2 各影響因素的正態概率分布圖

為了進一步確認各因素對切削溫度影響的顯著性，分別繪制切削溫度的主要因素和交互影響因素圖，如圖3和圖4所示.由圖3可以看出，各因素中影響最大的為切削速度v，其次為切削寬度ae，再次為每齒進給量fz，而切削深度ap的影響最小，可以忽略.也就是說，在主影響因素圖中，連接低水平與高水平的切削溫度值的直線斜率中，切削速度最大，切削寬度次之，然后是每齒進給量，最后是切削深度.盡管各主影響因素對切削溫度的影響很大，但查看各因素間的交互作用也是很重要的，有時各因素間的交互作用可以放大或抵消主影響因素.切削溫度的交互影響因素如圖4所示，由圖4可以看出在切削寬度為5 mm和20 mm的情況下，切削速度為400 m/min時的切削溫度都要大于切削速度為100 m/min時的切削溫度.并且發現在切削寬度為20 mm的情況下，切削速度為400 m/min時的切削溫度與切削速度為100 m/min時的切削溫度之間的差異比切削寬度為5 mm的情況下大得多.這就說明切削速度與切削寬度之間的交互作用對切削溫度有重要影響.

圖3 切削溫度的主影響因素圖

圖4 切削溫度的交互影響因素圖

對于交互作用的存在，從自由切削角度分析，主切削刃和副切削刃同時參與切削，前刀面在主切削刃和副切削刃附近均與切屑發生強烈的摩擦，切削速度的大小影響著切屑流速大小，進而決定切屑與前刀面的摩擦劇烈程度，而由于鈦合金的導熱性差，切削熱不易導出，切削寬度大小影響切削刃參與切削的時間長短，進而影響摩擦時間的長短.因此采用 PCD刀具高速切削鈦合金TA15時，切削速度與切削寬度的交互作用將可能會引起切削溫度的非線性特征.

2.3 均勻試驗

由以上的2k因子設計試驗結果分析可知，利用PCD刀具高速切削鈦合金TA15時，切削速度和切削寬度的交互作用為影響切削溫度的顯著性因素，而僅僅通過單因素試驗無法得出切削用量間的交互影響效應;而在多水平的正交試驗中，若考慮交互作用時，試驗次數往往使試驗者望而止步.因此，本文制定了考慮交互作用的均勻試驗設計方案，來進一步研究切削溫度隨切削用量的變化特征.

利用非線性回歸的方法對試驗數據進行處理，分析切削溫度與每齒進給量、切削速度、切削寬度和切削深度之間的特征關系，建立了切削溫度預測模型，見公式(1):

其中R2代表預測模型的可信度.通過方差和殘差分析驗證，在試驗用量范圍內此預測模型是可接受的.

影響因素的指數越高，對切削溫度的影響就越大，由切削溫度的回歸公式可以看出，對切削溫度影響最顯著的是切削速度，切削寬度和每齒進給量的影響效應次之，最后為切削深度的影響效應，所有因素均為正影響因素，即隨影響因素的增大切削溫度呈升高趨勢.采用殘差分析的方法對切削溫度預測模型進行可信度檢驗，其正態概率圖如圖5所示，可以看出擬合點分布于直線附近，無異?，F象，擬合度良好.

圖5 切削溫度回歸模型的殘差分析圖

圖6和圖7分別示出了采用響應曲面分析法獲得的切削溫度θ與切削速度v和切削寬度ae之間的響應曲面圖和等值線圖.由圖6以看出，切削速度v和切削寬度ae的增大，均導致切削溫度θ的升高，但當切削速度v和切削寬度ae二者之一處于低水平時，切削溫度θ隨另一因素的變化程度要遠低于處于高水平時的變化程度，由此也證明了交互作用的存在.由圖7也可以看出，切削速度v等值線之間的距離隨著切削寬度ae的增大而減小，即隨著切削寬度ae的增大，切削溫度隨切削速度v的增大而增大，這也再一次證明切削溫度的影響因素中切削寬度ae和切削速度v的交互作用是非常明顯的.

圖6 fz=0.05 mm，ap=0.5 mm時，切削溫度與切削速度v和切削寬度ae之間的響應曲面圖

圖7 切削溫度與切削速度和切削寬度的等值線圖

下面進一步對試驗數據進行分析，以此驗證切削溫度與切削用量之間的非線性關系.圖8-圖11為切削溫度隨各切削用量變化的關系曲線.其中虛實線代表α=0.01時的回歸分析置信區間.

切削溫度與切削深度之間的特征關系如圖8所示.由圖8可以看出，在試驗用量范圍內，切削溫度隨切削深度的增大而升高，但增大趨勢緩慢.切削溫度與切削深度之間的線性關系非常明顯，成單調增大趨勢，斜率較小，即切削溫度隨切削深度的增加變化較小.這是因為:采用PCD刀具高速切削鈦合金TA15時，一方面切削深度的增大會使得切削力明顯增大，從而導致切削熱的產生成比例增加，另一方面隨著切削深度增大，參與切削的切削刃長度成比例增加，進而使得切削區域的散熱條件得到改善，以上兩方面的綜合作用使得切削溫度的升高趨緩.

圖8 v=200 m/min，ae=10 mm，fz=0.05 mm時，切削溫度與切削深度的特征關系

切削溫度與切削寬度之間的特征關系如圖9所示.由圖9可知，切削溫度隨切削寬度的增大呈單調升高的趨勢，當切削寬度在4～18 mm變化時，隨著切削寬度的增加切削溫度線性增大，呈現明顯的線性特征，其斜率基本不變.當切削寬度在以上區間之外時，切削溫度和切削寬度之間雖然仍表現出一定的線性關系，但是圖中區間外的直線斜率卻有所改變，即切削溫度隨切削寬度的變化趨勢發生改變.當切削寬度處于低水平時(＜4 mm)，直線斜率減小，切削寬度對切削溫度的影響程度變小;當切削寬度處于高水平時(＞18 mm)，直線斜率增大，切削溫度受切削寬度的影響程度變大.隨著切削寬度的增加切削溫度隨之上升的原因可以解釋為:隨著切削寬度增加，導致刀片每轉的切削時間增加，這樣就會有更多的熱量傳入刀具內部，從而使得刀具的溫度升高.

圖9 v=200 m/min，ap=0.5 mm，fz=0.05 mm時，切削溫度與切削寬度的特征關系

切削溫度與每齒進給量之間的特征關系如圖10所示.由圖10可知，切削溫度受每齒進給量的影響曲線相似于切削寬度對切削溫度的影響曲線，即切削溫度隨每齒進給量的增大而單調升高，其曲線表現出顯著的線性關系.其區別在于當每齒進給量處于低水平時(＜0.04 mm)，時，直線斜率變大，其對切削溫度的影響變大;而每齒進給量位于高水平時(＞0.12 mm)，直線的斜率變小，其對切削溫度的影響程度降低.進給量增加以后，將導致金屬去除率按比例增加，但切屑的變形系數將減小，故單位體積去除量的切削功下降.另外，隨著每齒進給量的增加，刀-屑間的接觸長度也增加，故切屑帶走的切削熱增多.因此，隨著每齒進給量的增加切削溫度呈上升趨勢，但上升比較緩慢.

圖10 v=200 m/min，ae=10 mm，ap=0.5 mm時，切削溫度與每齒進給量的特征關系

切削溫度與切削速度之間的特征關系如圖11.由圖11可知，切削溫度隨切削速度的升高呈單調上升的趨勢.當切削速度在150～350 m·min-1變化時，隨著切削速度的增加切削溫度線性增大，呈現明顯的線性特征，其斜率基本不變.當切削速度在以上區間之外時，切削溫度和切削速度之間雖然仍表現出一定的線性關系，但是圖中區間外的直線斜率卻有所改變，即切削溫度隨切削速度的變化趨勢發生改變.當切削速度處于低水平時(＜150 m/min)，直線斜率減小，切削速度對切削溫度的影響程度變小;當切削速度處于高水平時(＞350 m/min)，直線斜率增大，切削溫度受切削速度的影響程度變大.這是由于:切削速度增大的同時，會引起單位時間的切削功增大，進而導致切削熱量的增多，最終使得切削溫度上升;與此同時，切削速度的增大會使得切屑的流出速度增大，前刀面會與快速流出的切屑產生劇烈的摩擦，摩擦產生的熱量增多，從而使得切削溫度上升.另一方面切削速度增大會使得切削層材料來不及變形，變形能減小引起切削溫度降低.以上因素的綜合作用使得切削溫度雖然隨切削速度的增大而上升，但不是成正比例增加，切削溫度的回歸模型中切削速度的相關系數為0.42，這就說明切削溫度隨切削速度的增加不是成比例增加.

圖11 ae=10 mm，ap=0.5 mm，fz=0.05 mm時，切削溫度與切削速度的特征關系

3 結論

PCD刀具高速銑削TA15鈦合金時，切削速度v，切削寬度ae和每齒進給量fz為切削溫度的主要影響因素，而切削速度v和切削寬度ae的交互效應為切削溫度的交互影響因素.其對切削溫度影響顯著性的次序為:切削速度v、切削寬度ae、交互因素為切削速度v和切削寬度ae的交互效應、每齒進給量fz.

2)在系統實驗數據的基礎上，采用統計學工具建立了切削溫度的回歸預測模型，并采用殘差分析方法對模型進行了驗證，表明在試驗用量范圍內所建立的數學預測模型可信.

3)在試驗所用用量范圍內，采用PCD刀具進行鈦合金TA15高速切削時，隨著切削用量的變化，切削溫度表現出一定的非線性特征.

4)切削用量中切削速度v對切削溫度θ的影響與切削寬度ae值的選取有關，隨著切削寬度ae的增大，切削速度v對切削溫度θ的影響程度隨之增大.

[1]XU J H，GENG G S.Experimental study on the milling of Ti Beta 21S[J].Journal of materials processing technology，2002，129:190-192.

[2]陳明，袁人煒，凡孝勇，等.三維有限元分析在高速銑削溫度研究中應用[J].機械工程學報，2002，38(7):76-79.

[3]耿國盛，徐九華，傅玉燦，等.高速銑削近α鈦合金的切削溫度研究[J].機械科學與技術，2006，25(3):329-332.

[4]KITAGAWA T，KUBO A，MAEKWAWA K.Temperature and wear of cutting tools in high-speed machining of Inconel 718 and Ti-6Al-6V-2Sn[J].Wear，1997，202(2):142-148.

[5]BRAND?O L C，COELHOB R T，RODRIGUESC A R.Experimental and theoretical study of workpiece temperature when end milling hardened steels using(TiAl)N-coated and PCBN-tipped tools[J].Journal of Materials Processing Technology，2008，199(1-3):234-244.

[6]REN X J，YANG Q X，JAMES R D，et al.Cutting temperatures in hard turning chromium hardfacings with PCBN tooling[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，147(1):38-44.

[7]KIKUCHI M.The use of cutting temperature to evaluate the machinability of titanium alloys[J].Acta Biomaterialia，2009，5(2):770-775.

[8]ARMENDIA M，GARAY A，VILLAR A，et al.High bandwidth temperature measurement in interrupted cutting of difficult to machine materials[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，2010，59(1):97-100.

[9]全燕鳴，趙婧，何振威，等.切削溫度測量信號的獲取與處理[J].中國機械工程，2009(5):573-584.

[10]張士軍，劉戰強，劉繼剛.用解析法計算高速切削單涂層刀具瞬態溫度分布[J].機械工程學報，2010，46(1):187-198.

[11]宋文龍，鄧建新，吳澤，等.鑲嵌固體潤滑劑的自潤滑刀具切削溫度研究[J].農業機械學報，2010，41(1):205-210.