切削工藝參數對Ti6Al4V合金切屑形貌的影響規律*

賴曲芳，付 鵬，胡淑芬

(江西農業大學 工學院，南昌 330045)

鈦合金具有質量輕、硬度高、熔點高的特點，具有廣泛的應用前景.但因其硬度較高，不易于切割，所以鈦合金的切割加工功能較差，在一定程度上制約了鈦合金的應用[1-2].鈦合金的切割效率主要是受其化學活性、變形系數、彈性模量以及粘刀情況等影響[3]，因為鈦合金對切割刀具的材料具有較強的化學親和性，在切割溫度較高或切割力度較大的情況下，鈦合金很容易與切割刀具產生粘連進而造成磨損.邱德元等[4]研究了切削速度對不同硬質合金刀具切削磨損機理，認為高速切削時選用YW類刀具更為適合；張家雨等[5]探究了快速切割Ti6Al4V過程中切割刀具幾何參數(前角、后角、刀尖弧度半徑)對切割力度的影響，發現正的前角值越小，越有利于鋸齒切屑的形成，前角增大會導致鋸齒化程度減弱；孫富建等[6]通過模型計算發現隨著切割速度的不斷提高，切割絕熱剪切帶的形變程度不斷增加，絕熱剪切帶的寬度及距離不斷減小.刀具加工相關的幾何參數主要包含切削厚度、進給速度、刀前角等[7].于天琪等[8]利用計算機模擬仿真技術分析了刀尖圓弧半徑對切削溫度、切削力、切削區應力分布的影響；陳國三等[9]研究了鋸齒形切屑絕熱剪切帶的變形情況，闡明了在熱力耦合作用條件下剪切帶的轉變規律.因此，研究切削加工工藝參數對切削形貌以及絕熱剪切的影響具有十分重要的意義，對于提高Ti6Al4V合金切削效率具有重要的參考價值.

1 材料與方法

傳統的鈦合金切割加工方法只考慮單一的加工影響因素，由此得到的加工效果并不理想.為了有效解決傳統方法存在的問題，提出一種新的鈦合金切割加工方法，充分考慮所有的加工影響因素(切削速度、進給速度和刀具前角度)，根據影響因素對鋸齒金相的齒距、自由表面、帶傾角以及帶寬進行測量，進而分析出切削工藝參數對Ti6Al4V合金切屑形貌的影響規律.

實驗用Ti6Al4V合金為φ80 mm棒材，化學成分如表1所示.加工前熱處理工藝為760 ℃退火保溫1.5 h，然后空冷至室溫，杜絕原材料生產過程中局部應力的產生，使其具有均勻穩定的組織性能，并且還能夠具有一定的韌性.實驗采用的切削速度為250和350 m/min，進給速度為0.3、0.4、0.5 mm/r，刀具前角度分別為0°和8°.對獲得的切屑進行篩選后，進行冷鑲、磨樣、拋光和侵蝕等處理，采用體積分數為10%HF+5%HNO3+85%H2O的侵蝕液腐蝕，利用蔡司光學顯微鏡觀察其微觀形貌.對鋸齒金相的齒距、自由表面、帶傾角和帶寬進行測量，示意圖如圖1所示.

表1 Ti6Al4V的化學成分

圖1 相關參數測量示意圖

根據上述過程，采用日本FANUC數控系統研究切削工藝參數對Ti6Al4V合金切屑形貌的影響規律.該數控系統的最大轉速可達4 500 r/min，系統的組建主要包括Kistler9257B測力儀、數據采集卡、電荷放大器等，利用該數控系統能夠對Ti6Al4V合金的切削力進行準確測量，確保研究結果的準確性.數控系統的整體架構，即Ti6Al4V合金切削力測量與控制系統的整體架構圖如圖2所示.

圖2 控制系統的整體架構圖

2 結果與分析

為了驗證所提切割加工方法的有效性和實用性進行了如下實驗：分別將切削速度、進給速度和刀具前角度作為實驗變量，將鋸齒金相的齒距、自由表面、帶傾角以及帶寬作為測量指標進行實驗測試，得出實驗結果并對結果進行分析，從而分析切削工藝參數對Ti6Al4V合金切屑形貌的影響規律.

圖3為不同進給速度條件下獲得的切削形貌圖，圖3中α表示鋸齒與鋸面的夾角，b表示鋸面到鋸齒的高度，d表示鋸面邊緣到鋸齒的高度，L表示相鄰鋸齒之間的距離.由圖3可知：隨著進給速度(即刀具沿著被加工棒材軸線方向運動的速度)的遞增，系統的切屑形態發生了明顯的變化.在進給速度分別為0.3、0.4、0.5 mm/r時，鋸齒數量分別為5、4、3，說明隨著進給速度提高，鋸齒數量逐漸減少，鋸齒間距呈現出逐漸增加的趨勢.

圖3 不同進給速度條件下的切削形貌

為進一步驗證金相觀察結果，對不同切削速度下切屑相關數據進行測量，進給速度對齒距和自由表面尺寸的影響如圖4所示.當切削速度為250 m/min，進給速度分別為0.3、0.4、0.5 mm/r時，齒距分別是136、140、167 μm，自由表面距離分別是109、127、213 μm，兩者都逐漸提高.切削速度是棒材切削時沿著圓周方向的速度，而進給速度是刀具沿著棒材軸線方向的速度，提高進給速度能夠直接增大切屑的寬度(區別于剪切帶角減小的作用).當刀具前角和切削速度都相同時，更大的進給速度會增加被切削表層金屬的寬度，這將從另外一個方向上增加剪切的長度，致使剪切面積增大，剪切滑移變形阻力大，鋸齒化程度提高；另一方面隨著接觸面積的提高，切屑整體上能夠更好地承受切削力，進而更穩定地進行絕熱剪切，可以體現在切屑形態上，鋸齒數量、齒距和自由表面距離都會得到提高，鋸齒化程度增強.進給速度相同時，切削速度增加也使得齒距增大，且影響較為顯著.

圖4 進給速度對齒距和自由表面尺寸的影響

圖5顯示了進給速度對帶傾角與帶寬的影響.隨著進給速度的提高，鋸齒形切屑的剪切帶傾角有明顯的下降，同時絕熱剪切帶的寬度也在逐步提升.在250 m/min的切削速度下，進給速度從0.3 mm/r增加到0.5 mm/r時，剪切帶的寬度分別為3.4、4.4、7.8 μm，而其對應帶傾角分別為52°、49°、45°，逐漸減小.

刀具前角對鋸齒的形貌有很大程度的影響，圖6是在切削厚度為0.3 mm、切削速度為250 m/min條件下，刀具前角分別為8°和0°時的剪切帶微觀形貌.觀察分析發現，圖6a中的剪切帶為典型的無規則形變帶組織，雜亂而無序，附近的組織與基體組織相近，正是由于未發生絕熱剪切而形成的；而圖6b中剪切帶為明顯的轉變帶組織，轉變帶的形貌與基體組織完全不一樣，因為切削時發生了絕熱剪切.由圖6也可以看出，圖6a的剪切帶傾角相比于圖6b剪切帶傾角更大.

圖5 進給速度對帶傾角和帶寬的影響

剪切帶傾角是指剪切帶與切屑底面所形成的夾角，在不同切削條件下剪切帶傾角變化如圖7所示.

圖6 不同刀具前角下剪切帶微觀形貌

圖7a、b為切削厚度、刀具前角與剪切帶傾角的變化關系曲線，當刀具前角為0°時，剪切帶傾角從63.21°降至50.80°；刀具前角為8°時，剪切帶傾角從68.93°降至最低時為49.8°，由此可見，剪切帶傾角隨著切削厚度的增大而減小，而刀具前角的變化對剪切帶傾角的影響不大.圖7c為切削速度與剪切帶傾角的關系，剪切帶傾角從54.63°降至最低時為46.17°，由此可知隨著切削速度的增加，剪切帶傾角逐漸減小.

3 結 論

本文從切削工藝參數的角度出發，探究其對Ti6Al4V合金切屑形貌的影響規律.以Ti6Al4V合金φ80 mm棒材作為研究對象，采用760 ℃退火熱處理鈦合金棒材，經1.5 h保溫冷卻后，分別采用250和350 m/min的切削速度，前角度為0°和8°的刀具對冷卻至室溫的鈦合金進行切削，同時給出了三種不同的進給速度條件下，Ti6Al4V合金切屑形貌的變化規律.分析實驗結果可得：

圖7 不同條件下剪切帶傾角變化曲線

1)隨著進給速度的增加，鋸齒間距和自由表面尺寸顯著增加.

2)隨著進給速度的增加，剪切帶傾角隨著切削厚度的增大而減小.

3)當刀具前角為0°時，剪切帶傾角從63.21°降至50.80°；當刀具前角為8°時，剪切帶傾角從68.93°降至最低49.8°，刀具前角的變化對剪切帶傾角的影響不大.