不同切削量下钛合金切屑形态研究.pdf
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1、CFHI2024年 第2期(总218期)冷加工CFHI TECHNOLOGY钛合金常用于航空发动机、火箭、导弹及飞机机体的结构件1。新型飞机应用钛合金比例越来越高,钛合金结构材料的应用能够提高飞机的可靠性、安全性,以及提高轻量化水平。此外,钛合金凭借耐腐蚀、无磁性、抗冲击强等性能,在水下机器人、潜水器、潜艇等方面也得到极大应用2。在医用方面3,4,钛及钛合金表现出优秀的生物相容性,常用作骨骼修复材料和种植牙植入体。近年来,生物医用钛合金已经成为一个新型产业。在Barry J等5的研究中发现,低速切削钛合金Ti-6Al-4V时会产生锯齿形切屑,锯齿状呈非周期性的,随着进给量和切削速度的提高,逐渐
2、呈现周期性锯齿形切屑。Li G H等6对Ti-6Al-4V切屑形成机理的研究中提到,高速切削Ti-6Al-4V时锯齿形切屑主要是因为形成了绝热剪切带,并且在切削速度高、切削深度大、刀具前角小的情况下更容易产生锯齿形切屑。陈建岭等7利用断裂理论对钛合金切削产生切屑的过程进行仿真,通过分析切削过程的应力分布,很好地解释了锯齿形切屑的形成过程。王兵等8同样对钛合金进行不同切削速度的仿真模拟,建立起受应变和温度影响的断裂应变模型,得出拉伸应力区扩大是导致锯齿形切屑锯齿率加剧的重要因素。赵先锋等9研究发现切削产生大量的切削热使材料软化,同时伴随剪切应力、应变的增加,容易产生锯齿形切屑。目前,对锯齿形切屑
3、形成机理的研究已经取得大量研究成果,然而锯齿形切屑形成过程中伴随有剪切滑移,齿间断裂等切削不稳定现象,这些微小的波动都会对切削力造成影响,进而导致刀具振动,而对于锯齿形切屑与刀具振动之间的联系,还缺少成熟的理论论证。1试验方案设计笔者用 CA6140A 型普通车床进行单因素正交切削试验,采用SANDVIK涂层硬质合金刀具,刀杆牌号 SCLCR2525M09,刀片牌号 CCMT09T308-1.沈阳理工大学机械工程学院硕士研究生,辽宁沈阳110159;2.通信作者,沈阳理工大学机械工程学院教授,辽宁沈阳11015910.3969/j.issn.1673-3355.2024.02.013不同切削量
4、下钛合金切屑形态研究沙小淇1,李金泉2摘要:通过钛合金单因素切削试验,分析钛合金切屑形貌,研究在不同切削量下切屑形态的变化。研究结果表明,切屑锯齿化程度随切削量的增大而增大;随着切削速度增大,锯齿化频率和齿间距也增大;而增大进给量或背吃刀量,会增大齿间距,降低锯齿化频率。关键词:切削用量;TC4;锯齿形切屑中图分类号:TG506;TG115.21文献标识码:A文章编号:1673-3355(2024)02-0013-04Study on Cutting Morphology of Titanium Alloy by Using Different Cutting ParametersSha Xi
5、aoqi,Li JinquanAbstract:This paper analyzes the cutting morphology of titanium alloy through single factor cutting test,and studies the changesof chip morphology by using different cutting parameters.The results show that the degree of chip serration increases with theincrease of cutting parameters;
6、the serration frequency and tooth spacing increase with the increase of cutting speed;and theincrease of feeding amount or back engagement results in increase of tooth spacing and decrease of serration frequency.Key words:Cutting parameter;TC4;serrated chip452024年 第2期(总218期)CFHI冷加工一重技术MF1105(见表1)。试验
7、材料为钛合金TC4,直径88 mm,长度300 mm,真空退火处理,将工件分为若干段,每段采用不同的切削参数(见表2)。试验中的16组仅切削速度变化,711组仅进给量变化,1216组仅背吃刀量变化。2锯齿形切屑的几何表征切削钛合金形成的切屑主要为锯齿形切屑,与连续的带状切屑相比,有周期性的锯齿单元出现。对锯齿形切屑进行几何表征能够反映不同切屑形态之间的差异。切屑的几何表征一般由锯齿化程度、锯齿化频率、剪切带宽,以及锯齿单元的几何参数组成(见图1)。图中标注的是锯齿形切屑几何表征常用参数,OA线实际代表剪切滑移面,其与切削速度方向的夹角为剪切角,是影响切削变形的重要因素,可根据刀具前角0及锯齿单
8、元的底角0计算,近似公式为:=2-0+0(1)V为切削速度,vn为剪切变形区内材料垂直于OA方向滑出的速度,vc为切屑延前刀面流出速度,vn与切削速度v之间的关系可表示为:Vn=vsin(2)L代表相邻两个齿顶或齿底之间的距离,d代表两个绝热剪切带之间的垂直距离。d=Lsin0(3)h1和h2分别代表锯齿单元的齿顶高和齿底高,能够反映锯齿单元大小,两者一般用来表征切屑的锯齿化程度。对于上述参数的测量与计算,一般选取观察样本上的3至5个完整的切屑单元进行测量,测量3次取平均值,以便获得准确的试验测量数据。2.1锯齿化程度传统的切削加工中,切削塑性材料一般会产生带状切屑,这种切屑的变形程度一般用变
9、形系数表示(见图2)。变形系数可表达为:a=achac(4)L=LcLch(5)式中:a切屑厚度变形系数;L切屑长度变形系数;ach切屑厚度(mm);ac切削层厚度(mm);Lc切削层长度(mm);Lch切屑长度(mm)。切削中产生的锯齿形切屑不适于带状切屑表征方式,Schulz H等10提出用锯齿化程度Gs描述不同锯齿形切屑的差异(见图3)。表1刀具几何参数前角0()0后角0()7刃倾角s()0主偏角kr()95刀尖圆弧半径r(mm)0.8表2单因素试验方案试验组号167111216切削速度v(m/min)30.41,49.76,77.40,98.14,124.41,138.2398.149
10、8.14进给量f(mm/r)0.200.10,0.15,0.20,0.24,0.300.20背吃刀量ap(mm)0.200.200.15,0.20,0.24,0.30,0.40图1锯齿形切屑几何模型图2带状切屑几何模型图3锯齿化程度测量模型46CFHI2024年 第2期(总218期)冷加工CFHI TECHNOLOGYGs=h1-h2h1(6)式中:Gs锯齿化程度;h1表示齿顶高(m);h2齿底高(m)。在显微镜下观察,利用软件测量锯齿形切屑的齿顶高和齿底高,再通过式(6)计算出锯齿化程度,这种计算方法比较容易测量与计算。可以看出,当锯齿化程度为0时,切屑没有产生锯齿单元,为连续带状切屑;当锯
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