摘要：开展了不同介质下钛合金切屑变形的高速铣削试验研究，分析比较了不同介质、不同铣削速度对切屑宏观和微观形貌的影响及其原因，得出了干铣削、空气油雾和氮气油雾介质下切屑变形的各自特点以及切屑变形随速度而变化的规律。
钛合金的切屑变形研究起始于二十世纪五十年代， 许多国外的著名学者如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； 国内的一些高校和科研院所如西北工业大学、南京航空航天大学等也从事了相关的研究。
目前， 关于切屑变形的研究多集中在变化切削参数、刀具材料、刀具几何尺寸等方面，特别是对低速切削状态下的切屑变形规律的研究比较多。对于变化切削介质特别是采用干切削或无污染、少污染的切削介质时的切屑变形的高速切削试验研究还很少。另外，关于切削变形规律的研究，以车削居多，而高速铣削方面的研究比较少。本文重点对干铣削、空气油雾和氮气油雾介质下高速铣削钛合金时的切屑变形规律进行试验研究。
1 试验方案
钛合金高速铣削的切屑变形试验所用刀具和刀片如图1所示。刀片为K40硬质合金刀片。刀具有关几何参数如下：直径25mm，齿数2；刀尖圆弧半径rs：0mm 和1.6mm，前角：25°，后角：30°，主偏角：90°，修光刃长度：1.2mm，切削刃长度15mm。采用顺铣的方式，分别在干铣削、空气油雾和氮气油雾介质下开展高速铣削试验，分析研究铣削速度、铣削介质对钛合金切屑变形的影响。铣削参数见表1。
图1 试验用刀片及铣削示意图
表1 铣削参数
| 切削参数 | 参数取值 | | 铣削速度vc(m/min) | 190 | 250 | 275 | 300 | | 轴向切深ap(mm) | 5 | 7 | | 径向切深ae(mm) | 1 | | 每齿进给fz(mm/r) | 0.1 | | 刀具悬长L(mm) | 46 |
2 试验结果分析
1) 切屑变形的宏观分析
a.不同介质下的切屑形态
不同介质下高速铣削钛合金时，由于刀具与切屑之间的摩擦状况和散热条件不同，切屑的形状和表面状况也有一定差异，如图2所示。与干铣削相比，刀具与切屑之间的摩擦较大，铣削区温度高，切屑流经前刀面后的变形较大，切屑表面的条形褶皱较多、平整性差。
(ap=7mm，vc=250m/min，rs=1.6mm)
图2 不同介质下的切屑状态
b. 不同铣削速度下的切屑形态
钛合金的高速铣削试验中，在不同的铣削速度的情况下所产生的切屑形态来分析是有很大的区别的，因此铣削速度对切屑宏观形态的影响较大，图3即为在不同的铣削速度下的切屑照片。
(ap=5mm，rs=0mm)
图3 空气油雾时不同铣削速度下的切屑形态
从上图的分析可以得出随着铣削速度的增加，切屑的形态越来越规则， 尤其是当铣削速度达到300m/mim 时，经过计算和测量，切屑的长宽和理论值很接近(钛合金的变形系数很小几乎等于1，甚至小于1)。产生不规则切屑的原因主要是速度越低，切屑和刀具接触的时间越长， 切屑和刀具之间摩擦时间就较长， 因而速度较低时切屑的变形就比较明显， 而速度越高时， 切屑受到刀具摩擦的时间就越短，切屑的变形就越不明显；另外随着铣削速度的增大，铣削温度会逐渐升高，摩擦系数下降，切屑受到的摩擦力越小，因而切屑的变形就越小。
通过试验，发现不同速度下高速铣削钛合金时，干铣削和氮气油雾介质时的切屑形貌也有相同的规律，在此不再分析。
2) 切屑变形的微观分析
从图4可以看出， 不同介质下切屑的表面微观形态也有不同， 在氮气油雾介质下的切屑上存在着一些微裂纹(图4(c))，这些微裂纹主要分布在切屑的边缘和端部， 微裂纹大多与切屑沿前刀面的滑移方向相同(图5 的Ⅰ区)，少部分微裂纹与切屑滑移方向垂直(图5 的Ⅱ区)。氮气油雾介质下切屑产生微裂纹的原因可能是：一、氮气油雾喷射到切削区，瞬间带走了大量的热量， 使切屑产生热应力和热裂纹；二、氮气油雾中氮与切屑中的钛发生化学反应，生成较脆的氮化钛， 这些氮化钛分布在切屑表面和内部，使切屑在强烈的挤压和摩擦下易于脆裂。
(ap=7mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)
图4 不同切削介质下切屑局部正面SEM 照片
(ap=5mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)
图5 氮气油雾介质下切屑裂纹区的SEM照片
由于空气油雾也在切削中带走大量的热量，但其切屑不存在微裂纹(图4(a))，所以第一种可能性是不成立的， 因此可以认为微裂纹是由于氮的存在造成的。切屑易于脆裂，就会减少切屑流经前刀面时对铣刀的冲击，从而在一定程度上减少铣削力。
3) 切屑的金相分析
a. 金相照片的对比
钛合金切屑在形成过程中， 材料的塑性变性较大， 由此而产生的加工硬化时切屑在剪切滑移面的应力增加，局部达到了材料的强度极限，此时，切屑只在上部被挤裂而下部仍旧相连， 亦即靠近前刀面的一面很光滑，另一面呈锯齿状，形成集中剪切滑移切屑。
图6显示出， 氮气油雾下切屑的节状化趋势非常明显，切屑底部的连接已变得很少，有时切屑节与节之间近乎分离。空气油雾下切屑的节状化趋势虽然比干铣削时明显，但不如氮气油雾。
(ap=7mm，vc=300m/min，rs=1.6mm)
图6 不同介质下切屑的金相照片
造成氮气油雾和空气油雾下切屑节状化比干铣削明显的原因，是因为油雾的冷却作用使切屑剪切滑移面的钛合金塑性降低，切屑易于在沿滑移面处剪裂。氮气油雾下由于氮与钛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强，从而使切屑的节状特征更加突出。
b. 剪切角φ的比较
图7为剪切角φ随速度变化的曲线。该图表明，随着铣削速度的增加，空气油雾、氮气油雾和干铣削条件的钛合金切屑剪切角都有增加的趋势，也即切屑变形减小的趋势， 特别是铣削速度超过275m/min 时，这种趋势更加明显。产生这种结果的主要原因有两方面，一方面是因为变形时间缩短，钛合金的变形减小； 另一方面是因为切屑速度对前刀面平均摩擦系数有影响， 高速切削时， 切削速度越大，前刀面平均摩擦系数越小。当切削速度很大时，由于切削温度很高，切屑底层软化，形成薄薄的微溶层，在这种情况下，切削速度的变化对切屑变形的影响已很小。
图7 铣削速度对剪切角的影响(r=1.6)
此外，在相同速度下，氮气油雾下切屑的剪切角大于空气油雾。其原因是由于氮气介质下的切屑的剪切滑移面上有氮化钛存在， 剪切滑移面的塑性降低， 切屑在集中剪切滑移过程中更容易发生塑性失稳，因而切屑的变形减少，剪切角f减小。
3 结论
通过不同介质下钛合金切屑变形的高速铣削试验研究，可以得出以下几点结论：
1) 干铣削时，刀具与切屑之间的摩擦较大，铣削区温度高，切屑流经前刀面后的变形较大，切屑表面的条形褶皱较多、平整性差。
2) 随着铣削速度的增加，切屑的形态越来越规则。
3) 不同介质下切屑的表面微观形态也有不同，空气油雾下切屑的节状化比和干铣削时明显， 但不如氮气油雾。在氮气油雾介质下的切屑上存在着较多微裂纹、切屑更容易脆断。
4) 在相同速度下， 氮气油雾和空气油雾下的切屑剪切角f大于干铣削和空气油雾，即切屑变形系数低于干铣削和空气油雾，空气油雾剪切角f大于干铣削。
本文作者：南京航空航天大学机电学院 满忠雷 何宁 武凯 李亮(end)
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