TC4切削力实验研究.docx
《TC4切削力实验研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《TC4切削力实验研究.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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
Abstract
Sincethe1950s,thedevelopmentoftitaniumandtitaniumalloyalreadyexperiencemorethanhalfacenturyofcourse,titaniumalloytypesalreadyfromTi-6AI-4Vdevelopmenttohundredsofkinds,ourcountrylistedinthenationalstandardgradesoftitaniumandtitaniumalloyformule24.Becauseofitshighstrength,lowdensity,goodheatresistance,corrosionresistance,excellentinaerospaceandmilitary,sportsequipment,medicalequipment,photographicequipment,etcwidelyused.Althoughthebroadapplicationoftitaniumalloys,butthecomplexityofmanufacturingprocess,sohowtoimprovetheprocessingoftitaniumalloys,titaniumalloyshavebecometheapplicationofresearch.Machiningintitaniumalloys,thenumberofdevelopedcountrieshavebeenattheforefrontofworld.Tothisend,thestudyofmachiningtitaniumalloysisessentialtoourdevelopmentinthisareaisofgreatsignificance.
Inthispaper,theperformanceoftitaniumalloy,thecuttingcharacteristicsandturningtheory,andanalysistoolTC4choicewhenturning,cutting,cuttingtoolselectionandcuttingforceangle,andthedesignoforthogonalpilotprogram,theuseofcuttingforcetestingsystemtoTC4determinationofcuttingforcetostudythecharacteristicsofthecuttingforcecurve,theestablishmentofTC4empiricalformulaofforce.
Keywords:
Titaniumalloy;toolsselection;cuttingworkability;orthogonalexperiment;experienceformula
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α﹑近α﹑（α+β）﹑近β﹑亚稳定β和β型钛合金；钛合金按退火后的组织特点分α﹑（α+β）和β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
α型钛合金
全α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β相外，几乎全是α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
TA1~TA7
TA7ELI
近α合金
除铝和中性元素外，还有少量的β稳定元素
退火后，除有大量的α相外，还有少量的β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
α型钛合金
α+化合物合金
在全α合金基础上添加少量的活性共析元素
退火后，除有大量的α相外，还有少量的β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
（α+β）型钛合金
含有一定量的铝和不同含量的β稳定元素及中性元素
退火后，有不同比例的α相及β相
可热处理强化，强度及淬透性随β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，β加工的TC4ELI合金有良好损伤容限性能
TC3~TC12
TC4ELI
β型钛合金
热稳定β合金
含大量的β稳定元素，有时还有少量其他元素
退火后，全部为β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β合金
含有临界浓度以上的β稳定元素，少量的铝（一般不大于3%）和中性元素
从β相相区固溶处理后，几乎全部为亚稳定β相。
时效时，β相中析出α相，时效后为β相和α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
TB1~TB5
TB8~TB9
近β合金
含有临界浓度左右的β稳定元素，和一定量的中性元素及铝
从β相相区固溶处理后有大量的亚稳定β相，还有少量的其他亚稳定相（α︑或ω相），时效后为β相和α相
除具有亚稳定β合金的特点外，β相区固溶处理后，屈服强度低，均匀伸长率高。
（α+β）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（α+β）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
TB6
TB10
1.1-2钛合金的编号
我国α型钛合金的编号为TA后跟一个代表序号的数字，如TA4﹑TA7等。
工业纯钛分为三种等级，编号为TA1﹑TA2和TA3。
（α+β）型钛合金的编号为TC后跟合金序号，如TC3﹑TC4等。
β型钛合金的编号为TB后跟合金序号，如TB1﹑TB2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450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃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0.1～0.15mm，硬化程度为20%～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λ=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2～3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（Ⅰ）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0.02～0.2mm。
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（Ⅱ）。
这里晶粒纤维化的方向同前刀面几乎平行。
第三变形区（Ⅲ）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Φ较大，一般Φ=38°～44°。
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Φ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νT
，νT较高的的材料，其加工性较好。
刀具的使用寿命较短或νT较小的材料，加工性较差。
νT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νT可写作ν60。
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σb=0.637Gpa的处于正火状态下45钢的ν60为基准，写作（ν60）j，其他被切削的工件材料的ν60与之相比的数值，记作Kν，这个比值Kν称为相对加工性，即
Kν=ν60／（ν60）j
Kν＞1的材料，比45钢容易切削；Kν＜1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指标之一。
目前常用的工件材料，按相对加工性Kν可分为8级，见表1.2。
由表1.2可知：
Kν越大切削加工性越好；Kν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
＞3.0
5-5-5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
2.5～3.0
自动机钢σb=0.392～0.490Gpa
3
较易切削钢
1.6～2.5
正火30钢σb=0.441～0.549Gpa
4
普通材料
一般钢及铸铁
1.0～1.6
45钢，灰铸铁，结构钢
5
稍难切削材料
0.65～1.0
85钢轧制σb=0.8829Gpa
6
难切削材料
较难切削材料
0.5～0.65
45Cr调质σb=1.03Gpa
7
难切削材料
0.15～0.5
50Cr调质，1Cr18Ni9Ti未淬火，α相钛合金
8
很难切削材料
＜0.15
β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β型的切削加工性最差，（α+β）型次之，α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1／4和1／6，这是造成切削温度高的主要因素。
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2／3～3／4，可是钛切屑与前刀面的接触面积却更小，只有45钢的1／2～2／3，所以切削刃承受的的应力反而更大，是碳钢的1.3～1.5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，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α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／ζ,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，也加剧了刀具磨损。
资料介绍，这种硬脆变质层仅有0.1～0.15mm，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ƒ＜0.1mm／r时，磨损主要发生在后刀面上；当ƒ＞0.2mm／r时，前刀面将出现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时，后刀面的磨损以VBmax＜0.4mm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。
1.4TC4的化学成分和力学性能
Ti-6Al-4V（TC4）是（α+β）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50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α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
Al
V
Fe
O
Si
C
N
H
其他
Ti
成分
5.5-6.8
3.5-4.5
0.3
0.2
0.15
0.1
0.05
0.01
0.5
余量
表1.4TC4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。
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σbb表示，韧性用冲击韧度αk表示。
一般而言，刀具材料的硬度越高，其σbb值和αk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0.65％～1.3％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60HRC～64HRC，有较高的耐磨性，价格低廉。
最大的缺点是热硬性差，在200℃～300℃时硬度开始降低，故允许的切削速度较低（5mm／min～10mm／mi
升级会员 