不同介質下鈦合金高速銑削時銑削力的研究

1 引言

目前，綠色切削主要是指干式切削和準干式切削。干式切削的應用范圍目前還比較有限，而完全濕加工又有諸多不足。若將兩者的優(yōu)點相互結合，既可滿足加工要求，又可將干式切削的費用降低至最低，并可取得與完全干式加工相同的效果。將這種介于濕式切削與干式切削之間的加工技術稱為準干式切削(Near Dry Machining-NDM)加工或最少切削液加工(Minimal Quantities of Lubricant-MQL)。目前完全干式切削加工更多地用于鑄鐵材料的高速加工中，最近幾年，歐洲幾家公司用干切削高速加工灰口鑄鐵件取得很大成功。但從目前的文獻來看，完全干式切削應用于鈦合金高速銑削中還未見先例。準干式切削主要用于鑄鐵材料、鋼和鋁合金的加工中，對于難加工材料的準干式切削研究較少。

一些日本公司在噴氮切削技術發(fā)展中做了大量的工作，開發(fā)了直接從空氣中分離氮氣的氮氣制氣裝置并與機床相配，應用結果表明，以氮氣作切削介質替代切削液，最大的優(yōu)點包括：(1)克服了切削液造成的環(huán)境污染問題；(2)刀具磨損比干切削大大降低；(3)加工精度高，表面粗糙度穩(wěn)定；(4)減輕摩擦，降低切削負荷；(5)安全加工鎂合金(鎂粉遇水會發(fā)生燃、爆等安全問題)；(6)使用成本低于切削液。

現(xiàn)將在干銑削、氮氣油霧和空氣油霧介質下開展鈦合金高速銑削力的試驗研究，本文即探索上述條件下銑削力的變化規(guī)律。

2 試驗方案

刀具選用Walter硬質合金鑲齒立銑刀，牌號為ZDGT150416R-K85 WMG40，未涂層，直徑25mm，刀尖圓角半徑r=1.6mm，兩齒，見圖1。分別在干銑削、空氣油霧和氮氣油霧介質下開展高速銑削鐵合金TC4的單因數(shù)銑削力試驗研究。

3試驗結果分析

 

試驗參數(shù)：v_c=190m/min,a_p=5mm,f_z=0.1mm/z，分別測量a_e=0.5,1,2,3,4,5mm時的銑削力，試驗結果見圖2。

圖2 不同介質下銑削力隨a_e變化的曲線

從圖2中可以看出：三種介質下的F_xmax,F_ymax,F_zmax，和F_max都隨久增大而增大，其增大趨勢基本呈線性關系，原因是隨著徑向切深的增大，刀具和工件間的銑削包角增大，使刀具的銑削面積增大，從而刀具和工件間的摩擦力增大，所以導致F_ymax：增大；試驗中采用的是刀片銑削，刀具的螺旋角為0°,因此隨著徑向切深a_e的增大，x向和z向的最大的銑削力變化并不是很明顯，這和理論上的分析是相符合的。對曲線分別進行線性和指數(shù)擬合，其相關系數(shù)R²都在0.91以上。

圖2(a)表明三種銑削介質下的F_xmax隨a_e增加的趨勢基本相同，但幅度都不太明顯，干銑削的F_xmax稍大于空氣油霧和氮氣油霧。從圖2(b)、(c)、(d)可以看出F_ymax、F_zmax和F_max隨a_e增加的幅度較大，不同介質下的變化曲線相似；空氣油霧和氮氣油霧下的F_ymax、F_zmax和F_max都比干銑削小，其中干銑削的銑削合力比空氣油霧分別大了22.2%、15.07%、25.75%、5.98%、8.3%和5.45%，比氮氣油霧大18.3%、16.6%、27.5%、15.96%、8.38%和7.92%。另外，空氣油霧和氮氣油霧下的銑削力大致相同。

軸向切深a_p變化對銑削力的影響

試驗參數(shù)：v_c=190m/min,a_e=1mm，f_z=0.1mm/z，分別測量a_p=1,2,3,4,5mm時的銑削力，試驗結果見圖3。

從圖3可以看出：三種介質下的F_xmax，F(xiàn)_ymax，F(xiàn)_zmax，和F_max都隨a_p增大而增大，其增大趨勢基本相同。對曲線分別進行線性和指數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)其指數(shù)擬合的相關系數(shù)較高( R²≥0.93)。干銑削時銑削分力和合力均大于空氣油霧和氮氣油霧，結果與前節(jié)相似。

當a_p大于5mm時銑削力增大加劇，可能是因為a_p增大后，銑削力隨之增大，銑削過程中刀具系統(tǒng)剛性降低，銑刀容易產生振動造成的。

每齒進給f_z變化對銑削力的影響

試驗參數(shù)：v_c=190m/min，a_e=1mm，a_p=5mm，分別測量f_z=0.5,0.1,0.15,02,0.25mm/z時的銑削力，試驗結果見圖4。

從圖4中可以看出：三種介質下的F_xmax，F(xiàn)_ymax，F(xiàn)_zmax，和F_max都隨f_z增大而增大，對曲線分別進行線性和指數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)兩種擬和的相關系數(shù)R²大致相同，并且R²較高，這與低速銑削時的理論不同。在低速時，隨f_z的增加，各向銑削力總體呈增大趨勢，但銑削力的增加并不隨進給量的增加成比例增加。因為進給量增大，切削厚度增大，所以切削面積增大，力會隨之增大，但切削厚度增大的同時使變形系數(shù)減少，摩擦系數(shù)也降低，所以力的增加與進給量的增大并不成比例。高速時，由于銑削區(qū)的溫度遠遠高于低速時，銑刀前刀面上的切屑和與銑刀后刀面相接觸的已加工表面塑性非常高，因此切削厚度增大使變形系數(shù)減少的程度非常低，摩擦系數(shù)也降低的很小，所以力的增加與進給量的增大基本成比例。

從圖4(d)可以看出，隨著每齒進給(f_z≥0.1mm/z)增大，氮氣油霧下的銑削合力明顯低于空氣油霧。據(jù)國外的研究資料顯示，在高進給下，銑削熱增多，氮氣下刀具與切屑以及工件之間更容易產生TiN層，因為TiN具有減摩作用，所以在銑削時，由于摩擦作用所產生的銑削力會減少。

銑削速度v_c變化時銑削力的影響

試驗參數(shù)：aa_e=1mm，a_p=1mm，f_z=0.1mm/z，分別測量v_c=190，250，275和300m/min時的銑削力，試驗結果見圖5。

圖5表明 ：三種介質下的F_xmax，F(xiàn)_ymax，F(xiàn)_zmax，和F_max都隨v_c增大而增大，波動不大，這與傳統(tǒng)的切削理論不同。傳統(tǒng)的切削理論認為，切削力一般隨著切削速度的增加而減少，這主要是因為，v_c增大，將使切削溫度提高，摩擦系數(shù)µ下降，從而使變形系數(shù)x減小的原因。對于高速切削時切削力隨切削速度變化的規(guī)律，國外一些學者也曾做過相關的實驗研究。Amdt認為超高速切削時由于高頻沖擊力的存在，切削力的變化是傳統(tǒng)切削力和高頻沖擊力雙重作用的結果，Kusnetsov和Sutter在高速干銑削鋁合金AA7075和合金鋼AISI1045時，根據(jù)試驗結果，他們得出了在高速銑削中也存在高頻沖擊力的結論，該結論與Amdt的理論相吻合。

高速銑削鈦合金時，速度的增加雖然也會使x減小，但銑削是斷續(xù)切削，因沖擊而產生的力在整個銑削力中占有相當大的比重，速度越高，沖擊越大。高速沖擊產生的銑削力增加，遠大于因變形系數(shù)x減小而造成的銑削力減少，因此在高速銑削鈦合金時，銑削力會隨v_c增大而增加。

從圖5(a)和(d)可以看出，F(xiàn)_xmax和F_max的變化規(guī)律與上節(jié)相似。當銑削速度超過200m/min時，空氣油霧下的F_max大于氮氣油霧。特別是當銑削速度達到300mm/min時，空氣油霧下的F_max比氮氣油霧大了32%。造成這種結果的原因除了因為TiN減摩作用外，還因為在高速下氮氣油霧下切屑里的TiN增多，從而使切屑易于脆斷，切屑對刀具的摩擦和沖擊減少的緣故。

4 小結

空氣油霧和氮氣油霧介質下的銑削力明顯低于干銑削，在高速、高進給時氮氣油霧下的銑削力低于空氣油霧。

銑削力在鈦合金高速銑削時會隨徑向切深、軸向切深、每齒進給增加而增大。

銑削力在鈦合金高速銑削時會隨銑削速度的增加而增大，這有別于鐵合金低速銑削時的情況。