TC4切削力实验研究.docx

1、TC4切削力实验研究 摘 要 自20世纪50年代以来，钛及钛合金经历了半个多世纪的发展，种类从最初的Ti-6AI-4V发展到数百种，我国列入国家标准的钛及钛合金牌号就达24种。由于它强度小、耐热性好、抗腐蚀性优良，它在航空航天、军事、体育器械、医疗器械、照相器材等领域得到了广泛的应用。但钛合金制造工艺复杂，所以如何改进钛合金的加工工艺，就成为钛合金应用的研究课题。在钛金的切削加工方面，一些发达国家走在了世界的前列。为此，研究钛合金的切削加工十分必要，对我国在这方面的发展具有重要的意义。本文从钛合金的性能、切削特点和车削加工理论出发，分析了TC4车削加工时刀具选择、切削用量、刀具角度选择以及切削

2、力，并从设计试验方案出发，利用切削力测试系统对TC4进行车削力测定，研究切削力曲线特征，建立TC4的切削力经验公式。关键词：钛合金；刀具选择；切削加工型；正交试验法；经验公式 AbstractSince the 1950s, the development of titanium and titanium alloy already experience more than half a century of course, titanium alloy types already from Ti-6AI -4V development to hundreds of kinds, our co

3、untry listed in the national standard grades of titanium and titanium alloy formule 24. Because of its high strength, low density, good heat resistance, corrosion resistance, excellent in aerospace and military, sports equipment, medical equipment, photographic equipment, etc widely used. Although t

4、he broad application of titanium alloys, but the complexity of manufacturing process, so how to improve the processing of titanium alloys , titanium alloys have become the application of research. Machining in titanium alloys, the number of developed countries have been at the forefront of world. To

5、 this end, the study of machining titanium alloys is essential to our development in this area is of great significance.In this paper, the performance of titanium alloy, the cutting characteristics and turning theory, and analysis tool TC4 choice when turning, cutting, cutting tool selection and cut

6、ting force angle, and the design of orthogonal pilot program, the use of cutting force testing system to TC4 determination of cutting force to study the characteristics of the cutting force curve, the establishment of TC4 empirical formula of force.Keywords: Titanium alloy; tools selection; cutting

7、workability; orthogonal experiment; experience formula 1 钛合金概述钛在地球蕴藏着的元素中含量排名第九，其蕴藏量占0.44%到0.57%，1795年德国化学家M.H.克拉普鲁斯发现了该元素并以希腊神Titans命名。由于钛的熔点高并且化学性质非常活泼，纯钛较难制取；冶炼和钛锭的浇铸需要在真空中进行，制造工艺复杂。尽管钛及钛合金具有特殊的优越性质，却长期不能作为结构材料用于工业生产。随着科技的进步，钛工业从上世纪五十年代起才开始获得了迅速的发展。目前，全世界约有30多个国家从事钛合金的研究开发，其中俄罗斯和美国走在了前列。钛及钛合金已成为航

8、空航天工业中不可缺少的重要材料，同时也在兵器船舶轻工电力日常生活用具等部门得到了广泛的应用。1.1 钛合金分类及特性 1.1-1钛合金的分类 钛合金按不同方法有不同分类。按亚稳定状态相组成可分为近（+）近亚稳定和型钛合金；钛合金按退火后的组织特点分（+）和型钛合金三大类（表1.1） 表1.1钛合金的分类及特点 分类成分特点显微组织特点性能特点典型合金型钛合金全合金 含有6%以下的铝和少量的中性元素 退火后，除杂质元素造成的少量相外，几乎全是相 密度小，热强性好，焊接性能好，低间隙元素含量有好的低温韧性TA1TA7TA7ELI近合金 除铝和中性元素外，还有少量的稳定元素 退火后，除有大量的相外，

9、还有少量的相 可热处理强化，有很好的热强性和热稳定性，焊接性能好Ti-75 TA12分类成分特点显微组织特点性能特点典型合金型钛合金+化合物合金 在全合金基础上添加少量的活性共析元素 退火后，除有大量的相外，还有少量的相及金属间化合物 有沉淀硬化性能良效应，提高了室温及高温抗拉强度和蠕变强度，焊接性能良好TA8（+)型钛合金 含有一定量的铝和不同含量的稳定元素及中性元素 退火后，有不同比例的相及相 可热处理强化，强度及淬透性随稳定元素的增加而提高，可焊性较好，一般冷成形及冷加工能力差，TC4ELI合金有良好的超低温韧性，加工的TC4ELI合金有良好损伤容限性能TC3TC12TC4ELI型钛合金

10、热稳定合金 含大量的稳定元素，有时还有少量其他元素 退火后，全部为相 室温强度较低，冷成形和冷加工能力强，在还原介质中耐腐蚀性好，热稳定性可焊性好TB7亚稳定合金 含有临界浓度以上的稳定元素，少量的铝（一般不大于3%）和中性元素 从相相区固溶处理后，几乎全部为亚稳定相。时效时，相中析出相，时效后为相和相 固溶处理后，室温强度低，冷成形和冷加工能力强，可焊性好；经时效后，室温强度高，在高屈服强度下具有高的断裂韧性，在350以上热稳定性差，此类合金淬透性好TB1TB5TB8TB9近合金 含有临界浓度左右的稳定元素，和一定量的中性元素及铝 从相相区固溶处理后有大量的亚稳定相，还有少量的其他亚稳定相（

11、或相），时效后为相和相 除具有亚稳定合金的特点外，相区固溶处理后，屈服强度低，均匀伸长率高。（+）相区固溶处理WQ或AC，时效后在高强度状态下断裂韧性及塑性较高，而（+）相区固溶处理FC后在中强度状态下，可获得较高的断裂韧性及塑性TB6TB10 1.1-2钛合金的编号 我国型钛合金的编号为TA后跟一个代表序号的数字，如TA4TA7等。工业纯钛分为三种等级，编号为TA1TA2和TA3。 （+）型钛合金的编号为TC后跟合金序号，如TC3TC4等。 型钛合金的编号为TB后跟合金序号，如TB1TB2等。1.1-3钛合金的特性1）强度高,钛合金的密度一般在4.51g/cm3左右，仅为钢的60%，纯钛的强

12、度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。2）热强度高,使用温度比铝合金高几XX，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450500的温度下长期工作这两类钛合金在150500范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500，铝合金则在200以下。 3）抗蚀性好,钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有

13、机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。4） 低温性能好,钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。5） 化学活性大,钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN 硬质表层；在600以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.10.15 mm，硬化程度为20%

14、30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。 导热系数小、弹性模量小,钛的导热系数=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。6）钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的23倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。1.2 钛合金切削形成过程 1.2-1切削时的塑性变形区切削区可大致分为三个变形区域，如图1-1所示。钛合金（TB型除外）切削时一般是剪切变形大而压缩变形小（钢和高温合金正好相反，压缩变形大而剪切变形小），此外它的切削变

15、形过程也并不均匀，产生周期性的集中剪切变形。 （ 图） 第一变形区（)是切屑开始形成的区域。塑性变形（剪切滑移）从OA线开始，到OM线塑性变形基本完成。第一变形区的宽度约为0.020.2mm。 切屑沿前刀面排出时，切屑底层受到摩擦和挤压进一步产生变性的区域就是第二变形区（）。这里晶粒纤维化的方向同前刀面几乎平行。 第三变形区（）是指已加工表面受到刀具刃口圆弧以及回弹造成的挤压、摩擦，从而引起塑性变形加工硬化的部分。钛合金的回弹量大也是它的切削特点。1.2-2切屑的形成特点 钛合金切削时的第一、二变形区均不如一般的钢明显，切屑呈节状，背面为锯齿形。可以看见切屑单元之间的集中剪切滑移区，剪切角较大

16、，一般=3844。 钛合金切屑的形成过程可大致分为三个阶段：1） 因受到前刀面的挤压，被切材料产生弹性变形，在切屑的前上方有时也可能出现微小的破裂面。2） 进一步受到前刀面的挤压，于是在材料的前（上）方隆起一块材料。3） 这块隆起的材料在与切削速度成角度的很窄区域内产生集中剪切变形，局部或完全断裂，形成节状切屑流出。1.3钛合金的切削加工性 1.3-1材料切除率和切削加工性1）材料切除率材料切除率是指单位时间内切除材料的体积。影响材料切除率的因素有：加工材料；所使用的刀具；切削速度、进给量及切削深度；切削液和冷却润滑条件；机床类型和尺寸；机床的功率。总之，材料切除率受加工材料本身的切削加工性影

17、响最大。2）切削加工性切削加工性（可切削性，机械加工性）：指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件 的难易程度。切削加工性好坏常用加工后工件的表面粗糙度，允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。它与金属材料的化学成分，力学性能，导热性及加工硬化程度等诸多因素有关。通常用硬度和韧性作切削加工性好坏的大致判断。一般讲，金属材料的硬度愈高愈难切削，硬度虽不高，但韧性大，切削也较困难。一般非铁金属(有色金属）比铁金属切削加工性好，铸铁比钢好在相同切削条件下加工不同材料时，刀具使用寿命较长，或在保证相同刀具耐用度的前提下，切削这种工件材料所允许的切削速度T，T较高的的材料，其加工性较好。刀具的使用寿命较

18、短或T较小的材料，加工性较差。T的含义是：当刀具耐用度为T(min或s)时，切削该种工件材料所允许的切削速度值。一般情况下可取T=60min；对于一些难加工材料，可以取T=15min。对于机夹可转位刀具，T可取得更小一些。如果取T=60min,则T可写作60。生产中通常采用相对加工性来衡量工件材料的切削加工性，即以强度b=0.637Gpa的处于正火状态下45钢的60为基准，写作（60）j，其他被切削的工件材料的60与之相比的数值，记作K，这个比值K称为相对加工性，即 K=60（60）jK1的材料，比45钢容易切削；K1的材料，比45钢难切削。在实际生产中，一定耐用度下所允许的切削速度是最常用的

19、指标之一。目前常用的工件材料，按相对加工性K可分为8级，见表1.2。由表1.2可知：K越大切削加工性越好；K越小，切削加工性差。表1.2工件材料的相对切削加工性等级加工等级名称及种类相对加工性代表性工件材料1很容易切削材料一般有色金属3.05-5-5铜铅合金，9-4铝铜合金，镁铝合金2容易切削材料易切削钢2.53.0自动机钢b=0.3920.490Gpa3较易切削钢1.62.5正火30钢b=0.4410.549Gpa4普通材料一般钢及铸铁1.01.645钢，灰铸铁，结构钢5稍难切削材料0.651.085钢轧制b=0.8829Gpa6难切削材料较难切削材料0.50.6545Cr调质b=1.03G

20、pa7难切削材料0.150.550Cr调质，1Cr18Ni9Ti未淬火，相钛合金8很难切削材料0.15相钛合金，镍基高温合金 1.3-2钛合金切削加工性钛合金的切削加工性较差。在航空难加工材料中，钛合金的切削加工性劣于奥氏体不锈钢而优于高温合金。车削这三种材料的实验结果见图1-2，车刀材料为YG6。 （图1-2） 一般来说，钛合金中以型的切削加工性最差，（+）型次之，型的切削加工性最好。钛合金切削加工性差主要原因有： 1）导热、导温系数小，切削温度高 钛合金的导热系数平均是工业纯钛的一半，小于不锈钢和高温合金的导热系数。钛合金的导温系数（热扩散率）也很小，分别是铝的14和16，这是造成切削温度

21、高的主要因素。2）切削与前刀面接触面积小，刀尖应力大钛合金的切削力虽然只有45钢的2334，可是钛切屑与前刀面的接触面积却更小，只有45钢的1223，所以切削刃承受的的应力反而更大，是碳钢的1.31.5倍。刀尖附近应力集中，刀尖或切削刃容易磨损甚至损伤。3）化学活性高，与金属形成合金的倾向大钛钛合金高温时化学活性很高，能与空气中的氢（水汽）、痒和氮起化合作用。这些元素与前刀面的接触长度减小，促进刀具磨损。 钛合金也很容易与刀具材料起化学作用，或造成刀具材料的扩散，使刀具磨损严重。因为钛的化学活泼性加上强的亲和力很容易与它接触的杂质化合，钛能与大气中的氧起作用，但在600以下实际上不和钛发生作用

22、，超过600时，随温度的提高而增强，在出现氧化皮的同时，氧还向钛中扩散，在同素异构转变温度（883）以上，氧在钛中扩散特别强烈，以至形成脆化层，其厚度随时间的增加而增大，即产生所谓“组织化层”，这是钛被氧沾污而引起的额外硬化，钛中含氧量愈多，硬化愈甚。氢在钛中，随温度的增加而出现的氢化能力，其扩散极其强烈，并形成间隙固溶体，产生氢脆性。氮在室温下对钛没有影响，高温时氮对钛强烈化合，形成脆而硬的氮化钛，促进刀具磨损。4）摩擦系数大，前刀面摩擦速度高钛合金与刀具材料间的摩擦系数大于与碳钢间的摩擦系数。切屑沿前刀面流出的速度为Vc=v,而钛合金切屑变形系数远小于其他金属材料，因而钛合金切屑沿前刀面的

23、摩擦速度更高。结果是摩擦功大,摩擦界面温度高，刀具易于磨损。5） 弹性模量小，屈强比大弹性模量小就意味着在切削加工时钛合金零件产生较大的变形，弹性模量小和屈强比大又会使已加工表面产生较大的回弹。从而一方面容易引起加工零件的尺寸超差，另一方面回弹使切削时刀具实际后角减小，后刀面与工件的摩擦增加。6） 切屑呈挤裂状，加工表面易生成硬脆变质层由于钛的化学活性大，在高温下钛易于与大气中的氧、氮、氢等发生强烈化学反应，生成TiO2、TiN、TiH、等硬脆层。这样，一方面使得切屑呈挤裂屑(且不随切削条件而改变)，挤裂屑的形成阶段如图1-3所示；另一方面使得加工表面层产生局部应力集中，降低疲劳强度，也加剧了

24、刀具磨损。资料介绍，这种硬脆变质层仅有0.10.15mm，但硬度提高了50，疲劳强度降低了10左右。 （图）7）粘刀现象严重由于钛的亲和力大，加之高温高压作用，切削时易产生严重粘刀现象。7）刀具易磨损毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的的工序。另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损。车削钛合金时，有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重；进给量0.1mmr时，磨损主要发生在后刀面上；当0.2mmr时，前刀面将出现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时，后刀

25、面的磨损以VBmax0.4mm较合适。此外，在微进给切削时还产生燃烧现象，必须采取防火措施。1.4 TC4的化学成分和力学性能Ti-6Al-4V(TC4)是（+）型钛合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效 使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50100；高温强度高，可 在400500的温度下长期工作，其热稳定性次于钛合金。这一系列优点，使其在航空航天、石油化工、造船、汽车，医药等部门都得到成功的应用。 表1.3钛合金Ti-6AI-4V的化学成分元素AlVFeOSiCNH其他Ti成分5.5-6.83.5-4.50.

26、30.20.150.10.050.010.5余量 表1.4 TC4的力学性能 2钛合金的车削加工理论 钛合金车削的主要问题是:切削温度高，刀具磨损比较严重；弹性模量小切削回弹大，工件容易受力变形。此外，再加上热变形。这些对加工精度都有较大影响。本章主要介绍车削钛合金机床设备、刀具材料、刀具几何参数的合理选择，分析刀具的磨损和耐用度、切削力。最终对车削加工用量的选择和优化切削参数。2.1车削钛合金的机床设备 使用系统刚性好、精度高的机床，可以使得零件获得较好的几何形状，而具有充分冷却系统的机床，对切削刀具、零件的冷却能起到很好的作用。机床主轴的振动与否，则会直接影响系统的振动，从而影响加工质量。

27、本次试验选用的是CA6161A型普通车床。2.2刀具的选择 刀具的正确选择受以下因素影响： （1）机床的状态 （2）工艺系统的刚性 （3）加工零件的形状 （4）钛合金的牌号及其表面状态 （5）切削用量或切除率 （6）操作工人的技术水平凡是能使用硬质合金刀具的场合应尽量使用硬质合金刀具，这样可以提高切削加工的生产率。当系统的刚性不良时，可考虑使用高速钢刀具。加工钛合金一般要求刀具质量高，特别是要求刀具表面光洁，刃口锋利，无毛刺、缺口。对多刃刀具应控制切削刃的跳动量，以保证每刃（齿）的切削量都相等。此外，切削过程中对刀具应适时进行刃磨或更换。2.2-1刀具材料的选择 （1）刀具材料应具备的性能 使

28、用刀具切削金属时，刀具直接完成切除余量和形成已加工表面的任务。其性能的优劣取决于构成切削部分的材料、几何参数的合理选择和刀具结构的合理设计。刀具的使用寿命、金属切削的加工质量、生产率、成本在很大程度上取决于刀具材料的开发和研制。 切削时，刀具除了要承受高温、高压和强烈的摩擦外，还要承受很大的切削力、冲击和振动。因此，刀具材料必须满足一下要求： 1）高的硬度和耐磨性。即比工件材料硬和抗磨损能力。常温硬度一般必须在62HRC以上。耐磨性不仅与硬度有关，还往往与强度、韧度和金相组织结构等因素有关，因而是一个综合性的指标。一般而言，刀具材料的硬度越高，马氏体中合金元素越多，金属碳化物的数量越多，晶粒越

29、细，分布越均匀，耐磨性就越好。 2）足够的强度和韧性。用以承受切削中的冲击和振动，避免崩刃和折断。一般强度用抗弯强度bb表示，韧性用冲击韧度k表示。一般而言，刀具材料的硬度越高，其bb值和k值越低。 3）较高的耐热性（红硬性）和传热性。刀具材料应在高温下保持高的硬度、耐磨性、强度和韧性，并具有良好的抗扩散、抗氧化的能力。一般用保持其常温下切削性能所能承受的温度来表示耐热性。刀具材料的导热（热导率）越大，则由刀具传出的热量越多，有利于降低切削温度和提高刀具使用寿命。 4）较好的工艺性和经济性。为了便于刀具制造和刃磨，要求刀具材料具有较好的可加工性，如锻造、热轧、焊接、切削加工、可磨削性、热处理性

30、能等。例如，材料的高温塑性对热轧刀具十分重要；对于焊接刀具和涂层刀具,还应考虑刀片与刀杆材料、涂层与基体材料线膨胀系数的匹配等.刀具材料的选择,还应考虑经济性。那些立足于本国资源、性能良好的刀具材料，可以降低成本，价格低廉，有利于推广使用。应当指出，上述几项性能之间可能相互矛盾（如硬度高的刀具材料，其强度和韧性较低。没有一种刀具材料能具备所有性能的最佳指标，而是各有所长。所以在选择刀具材料时应合理选用。刀具材料的分类根据刀具材料的发展历程，现有的刀具材料可分为工具钢（包括碳素工具钢、合金工具钢）、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料（包括金刚石、立方氮化硼）五大类。（1）工具钢工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢。碳素工具钢是含碳量为0.651.3的优质碳素钢，常用钢号有TA7、T8A、T10A、T12A等。这类钢工艺性能良好，经适当热处理，硬度可达60HRC64HRC，有较高的耐磨性，价格低廉。最大的缺点是热硬性差，在200300时硬度开始降低，故允许的切削速度较低（5mmmin10mmmi