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氮气介质下钛合金铣削特性的分析研究 |
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作者：南京航空航天大学 舒彪 何宁 武凯 来源：《航空精密制造技术》 |
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高科技发展的今天，环保越来越受到人们的重视，基于技术、经济、生态三方面的平衡发展，绿色制造已经是当今谈论的主题。在机械制造领域，切削液是最大的污染源，特别是在航空工业中，为了提高航空零部件的加工质量，经常使用大量切削液。为了实现绿色制造，人们往往将目光投向干切削，但是干切削条件下零部件的机械性能、加工效率以及刀具寿命会受到很大的影响。在此提出用氮气为切削介质的绿色加工技术，并对该技术进行了探索研究。本文主要比较分析了干切削和以氮气为介质的两种切削条件下，铣削钛合金时的后刀面磨损以及铣削力的情况。
1 钛合金的材料特性
由于钛合金具有比强度高、热强度好、耐蚀性高、资源丰富等一系列优点，因此在航空、航天等工业部门中的应用越来越广泛，用于制作航空发动机中的主要构件，在飞行器结构中，用于制造翼梁、隔框和接头等重要构件。基于钛合金广泛的应用，主要优点如下：
·比强度高：钛合金的密度只有4.5g/cm3，比铁小得多，而其强度与普通碳钢相近。
·热强度好：钛合金熔点为1660℃，比铁高，具有较高的热强度，可在550℃以下工作，同时在低温下显示出较好的韧性。
·抗蚀性好：在550℃以下钛合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被进一步氧化，对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、软介质均有较高的抗蚀能力。
另一方面钛合金的切削加工性比较差。主要原因如下：
·导热性差，致使切削温度很高，降低了对刀具的耐用度。
600℃以上温度时，表面形成氧化硬层，刀具有强烈的磨损作用。
·塑性低，硬度高，使剪切角度增大，切屑与前刀面接触长度很小，前刀面上的应力很大，刀刃易发生破损。
·弹性模量低，弹性变形大，接近后刀面处工件表面回弹性大，所以加工表面与后刀面的接触面积大，磨损严重。
·钛合金切削过程中的这些特点使其加工变得十分困难，导致加工效率低，刀具消耗大。
2 刀具材料的选择
钛合金的铣削比车削困难，主要的问题是切削刃区容易与钛发生粘接，刀齿易崩刃，刀具耐用度低。铣刀切削刃区域粘接的钛合金量与切削的厚度成正比，当刀齿再次切入工件表面时，粘接的钛合金剥落，从而使刀具出现磨损区。随着粘结量的增大，磨损区也增大；严重时，甚至会使切削刃崩落，损坏铣刀。铣削钛合金的立铣刀、圆柱铣刀、三面刃铣刀等一般用高速钢制成，成形铣刀更是如此。常用的刀具材料为：HSS-Co， 其主要成分为W2Mo9Cr4VCo8；HSS-Al， 其主要成分为W6Mo5Cr4V2Al：以及Carbide，其主要成分分别为YG8，YG10H，Y300等。
3 试验方案
以钛合金材料TC4(Ti-6Al-4V)为主要研究对象，试验方案如下：
·通过正交试验，比较在干切削条件和以氮气为介质的切削条件下铣削力的变化情况。铣削方式选择为顺铣。具体切削参数及参数值如表1所示。 表1 铣削力的正交切削试验参数
| 切削参数 | 参数取值 | | 铣削速度v(m/min) | 12 | 24 | 36 | 48 | | 轴向切深ap(mm) | 1 | 2 | 3 | 4 | | 径向切深ae(mm) | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | | 每齿进给fz(mm/z) | 0.05 | 0.1 | 0.15 | 0.20 | | 刀具材料 | W6Mo5Cr4V2Al | | 刀具直径(mm) | 12 |
·在干切削条件下和以氮气为介质的切削条件下，分析铣刀后刀面的磨损情况，以后刀面的磨损量0. 2mm 为判断标准。参数取值如表2所示。表2 磨损试验参数
| 切削参数 | 参数取值 | | 铣削速度v(m/min) | 30 | 40 | 50 | 60 | | 轴向切深ap(mm) | 6 | | 径向切深ae(mm) | 1 | | 每齿进给fz(mm/z) | 0.08 | | 刀具材料 | W6Mo5Cr4V2Al | | 刀具直径(mm) | 12 |
以上试验用机床为Mikron UCP 710五坐标加工中心。铣削力利用Kistler三向测力仪测量，铣刀后刀面磨损量在显微镜下进行观测测量。
4 铣削力及其结果分析
铣削示意图如图1所示。根据在氮气切削介质下和干切削条件下的铣削力数据，建立如图2 所示的对比图。 
图1 铣削示意图 图2 铣削力对比图
图2中铣削力为X、Y、Z 3 个方向最大力的合成。铣削力的试验结果分析如下：
·从图2可以看出，在干切削和以氮气为介质两种切削条件下，随切削条件的变化，铣刀后刀面磨损量在显微镜下进行观测测力的变化趋势基本相同。
·在第1 组试验中，氮气介质下的铣削力要小于干切削条件下的铣削力，而后15 组试验中，氮气介质下的铣削力比干切削条件下铣削力平均大100牛顿左右。
·初步分析，产生上述结果的原因是在切削过程中氮气和钛生成了硬化层。氮气介质下刚开始切削时，即第1 组试验中，还没有硬化层生成，此时由于氮气的冷却润滑作用，切削力偏小；从第2 组试验开始，已经有硬化层生成，之后试验中虽然仍有氮气的冷却润滑作用，但硬化层对铣削力的影响更明显，所以氮气介质下的铣削力要大于干切削条件下的铣削力。
·氮气介质切削条件下，氮气气压对测力仪的冲击也是切削力增大的一个因素。经测量，氮气的气压力仅有5牛顿左右，可见，氮气气压的冲击力并不是导致氮气介质下铣削力增大的主要因素。
5 铣刀后刀面磨损及其结果分析
根据在氮气介质和干切削条件下的试验数据建立如图3至图8所示的磨损曲线图。 
图3 干铣削条件下后刀面的磨损曲线 图4 氮气介质条件下后刀面磨捐损曲线
 
图5 30m/min磨损曲线比较 图6 40m/min 磨损曲线比较
 
图7 50/min磨损曲线比较 图8 60m/min磨损曲线比较
试验结果分析：
·通过对图3、图4 的分析可得出，切削速度是影响铣刀后刀面磨损的至关重要的因素，在上述两种切削介质的条件下，当切削速度增加到2倍时，其刀具寿命将各自会减小到4%左右，同时铣削的长度也急剧减少。
·根据图5至图8分析可知，在同样的切削条件下，以氮气为切削介质条件下的铣削长度远远超过了在干切削条件下的铣削长度。
·初步分析认为，氮气介质下能使刀具寿命延长的原因是其有效的冷却润滑作用使切削区温度降低，减小了刀具与工件之间的摩擦，其具体的作用机理有待进一步深入研究。同时，因为在氮气介质下切削区域没有氧气，加工表面有更高的表面完整性。
6 结论
·氮气介质切削条件下铣削钛合金与干切削条件下铣削钛合金相比，铣削力有增大趋势。
·氮气作为切削介质切削条件下，与干切削相比，刀具寿命有很大提高。
·氮气介质下生成的硬化层使切削力增大，并对刀具磨损有一定影响(磨料磨损)，但是氮气的冷却润滑作用大大降低了切削区温度，减小了加工表面和后刀面之间的摩擦，所以刀具寿命仍有很大提高。
·很高的氮气压能将切屑吹离切削区域，减小切屑对工件表面质量的影响。
氮气的价格低廉，加工成本低。用氮气作为切削介质可以消除因大量使用切削液给环境造成的污染，达到真正意义上的绿色制造。以氮气为切削介质的绿色高速加工技术，在航空领域、高速加工领域有着广阔的应用前景，特别是在难加工材料的切削加工中会起着更为重要的作用。 (end)
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(1/15/2007) |
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