三种金相组织钛合金切削过程切削力实验研究.pdf
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1、宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期三种金相组织钛合金切削过程切削力实验研究刘东 周开祥 王新 陈赫(北方工业大学机械与材料工程学院,北京 100144)文摘 选择TA7(相)、TB6(相)、TC4(+相)合金进行切削实验,设计直角切削模型,以切削速度为唯一变量,分析三种钛合金在切削过程产生的切削力变化。切削实验结果表明,相钛合金在切削过程中切削力远大于相钛合金和+相钛合金,三种钛合金在切削过程中切削力随切削速度的增加呈现先升高后降低的变化,在切削速度为50 m/min时达到最大。收集并观察锯齿形切屑并分析其形成机理,观察发现,随着速度的提升,切屑由带状变为锯齿形。综合三种钛合金在实
2、验过程中随切削速度的变化呈现的切削力数据与切屑形态变化可以看出,从低速到高速切削的过程中,绝热剪切的两个形成因素对切削力和切屑形态有重要的影响。关键词 钛合金,切削力,切屑分析,绝热剪切中图分类号:TG506.7+4 DOI:10.12044/j.issn.1007-2330.2024.01.008Experimental Research on Cutting Forces of Titanium Alloys of Three Kinds of Metallographic Structure in Cutting ProcessLIU Dong ZHOU Kaixiang WANG Xi
3、n CHEN He(College of Mechanical and Material Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144)Abstract TA7(phase),TB6(phase)and TC4(+phase)alloys were selected for cutting experiments,and the right-angle cutting model was designed,and the cutting speed was the only variable to analyze
4、 the cutting force changes of the three kinds of titanium alloys during the cutting process.The cutting experiment results show that the cutting force of phase titanium alloy is much greater than that of phase titanium alloy and+phase titanium alloy during the cutting process.The cutting force of th
5、e three titanium alloys increases first and then decreases with the increase of cutting speed during the cutting process,reaching the maximum when the cutting speed is 50 m/min.The sawtooth chips are collected and observed,and the formation mechanism is analyzed,and it is observed that with the incr
6、ease of speed,the chips change from banding to sawtooth.Based on the cutting force data and chip morphology changes of the three kinds of titanium alloys with the change of cutting speed during the experiment,the two formation factors of adiabatic shear have an important impact on the cutting force
7、and chip morphology in the process of cutting from low speed to high speed.Key words Titanium alloy,Cutting force,Chip analysis,Adiabatic shear0 引言钛合金是20世纪50年代发展出来的一种重要结构金属材料,具有耐高温、耐腐蚀、比强度高等特点,目前其零件产品已广泛应用于医疗、海洋和航空航天等领域1。目前钛合金的分类普遍按照亚稳态下的相组织和稳定元素含量进行划分,有型、+型、型三大类,进一步可细分为近型与亚稳态型钛合金。不同的相组织含量对钛合金的性能有极大
8、的影响,型钛合金主要组织为相,其单相合金具有优异的耐高温性,其中典型的有 TA7(Ti-5Al-2.5Sn)合金,是国内最早开发的钛合金之一;+型钛合金主要组织既有相,又存在相,兼具两相特性,具有优良的综合性能,其中TC4(Ti-6Al-4V)合金是目前应用最多、技术最为成熟的双相合金;型钛收稿日期:2022-04-06基金项目:北方工业大学“毓优团队”项目资助第一作者简介:刘东,1976年出生,教授,硕士生导师,主要从事难加工材料加工工艺的研究工作。E-mail:通信作者:周开祥,1997年出生,硕士研究生,主要从事难加工材料切削特性的研究工作。E-mail: 67宇航材料工艺 http:/
9、 2024年 第1期合金主要组织为相,具有较高的强度和优秀的热处理性,代表型号 TB6(Ti-10V-2Fe-3Al)合金广泛应用于波音系列结构件中。随着钛合金市场的增加,钛合金加工也要追求高效、稳定,但由于钛合金本身高强度、热导率低的特点,切削过程中与刀具接触后摩擦剧烈,产生的热量会聚集于接触部位,致使切削区局部升温2,进而引发绝热剪切,在切削过程中出现突发性失效。在材料的切削过程中,切削力和切屑形态是观察切削特性较为直观的因素,也是反映绝热剪切现象的重要途径。绝热剪切是指材料在切削过程中因摩擦产生的温度升高使材料出现热软化效应优于加工硬化效应时,应力-应变曲线斜率变为负值,材料在切削过程中
10、强度降低。绝热剪切变形一般发生均匀塑性、非均匀塑性和塑性失稳变形,当绝热剪切失稳时,会使切削过程发生剪切失效,对加工表面产生极大影响3。国内外学者对绝热剪切的研究做了大量工作。SHASHIKANT等4人采用正交切削实验研究了三种不同金相组织(相、相、+相)的钛合金切削过程中 相含量对切屑的影响。针对切削速度为 73 m/min的合金切屑发现:随着合金相的增多,切屑的裂纹增加,形状由规则梯形变为不规则梯形,切裂缝之间的夹角逐渐变小;随着切削速度的提高,切削过程中材料的强度先增加后减小,造成这种现象的一部分原因是切削过程中的热软化效应抵消了高应变速率引起的材料塑性降低,且随着相增多,切屑中裂纹出现
11、的频率对切削速度更加敏感。朱雨恩5通过对退火后TC4钛合金棒材进行切削实验,研究了剪切带内组织和影响其形成的切削条件。结果发现:TC4钛合金在切削过程中,剪切带内组织在应变与热积累的共同作用下发生了变化,而锯齿形切屑的形成正是由于热塑性失稳造成的。本文采用直角切削模型,旨在研究相钛合金、相钛合金、+相钛合金在切削过程中切削力的变化,主要从切削速度和金相组织两个方面对切削力的影响进行分析并研究其机理;将三种钛合金工件切削后形成的切屑收集处理,进行金相组织的观察,分析不同切削速度下切屑形态的变化规律,并针对切屑形态综合分析绝热剪切对钛合金材料切削过程的影响。1 实验设计1.1 实验工件及刀具对应三
12、种金相组织选用TA7、TB6、TC4钛合金,三种钛合金物理特性如表1所示。采用直角切削模型,是指主切削刃与切削方向成90的切削方式,切削过程中切削宽度与切削厚度相差达十倍以上时,切削力可以视作分解在轴向与切向两个方向。将厂家直购的三种牌号钛合金棒材加工为平均直径为100 mm、壁厚为1 mm的薄壁空心圆筒状工件,试验所用工件如图1所示。直角切削模型中刀具选择刃倾角为0,考虑到钛合金高硬度、高耐磨性的特点,选择如图2所示硬质合金数控车刀,为避免刀具磨损影响测试结果,需要在每组切削实验完成后更换刀具的主切削刃,使刀具在切削过程中对工件保持良好的加工性。1.2 切削机床及数据采集设备切削所用机床为C
13、K6125A车床,切削力测量采用 KISTLER 9027C三向石英压电测力传感器,为使传感器能够实时有效的采集切削力数据,针对实验切削环境设计了三向测力刀架,将传感器与刀具固定在车床工作台上。外部信号传输设备采用配套的电荷放大器、适配器和信号采集处理分析仪,传感器信号最终由计算机中东方所DASP软件作数据处理。切削力实验过程和测量原理如图3、图4所示。表1三种钛合金物理特性对比Tab.1Comparison of physical properties of three kinds of titanium alloys钛合金TA7TB6TC4抗拉强度b/MPa5391 1459601 200
14、屈服强度a/MPa4851 082825伸长率/%2511.110收缩率/%2564.425硬度/HB240300240300330370图1切削试样图纸Fig.1Drawing of cut sample图2试验所用刀具Fig.2Tools used in the experiments 68宇航材料工艺 http:/ 2024年 第1期1.3 实验设计及结果试验采用正交切削试验:刀具刃倾角为0时,刀具前刀面与材料切削面平行,在一定程度上减少切削力的径向分解,切削时切削力主要集中在工件轴向方向和工件切向方向,径向切削力几乎为零,如图5所示,因此大大简化了切削模型,因此实验设计为切削宽度1 m
15、m、厚度为0.1 mm,两者相差十倍以上时,近似视作直角切削6。实验工件均加工为薄壁圆筒状,切削过程取切削速度为唯一变量,六组切削速度分别为:30、40、50、60、70 和80 m/min,三种钛合金工件切削后得到18组切削结果。在切削试验中,三向测力传感器得到了三组数据,通过Origin软件对试验得到的原始切削力数据进行初步处理,得到如图6所示变化曲线,三条曲线分别表示轴向切削力Fx、径向切削力Fy和切向切削力Fz的变化情况,去除零点漂移后,可以看出切削力主要有轴向切削力Fx和切向切削力Fz,径向切削力Fy从始至终都保持稳定且靠近零点,对整个切削过程没有影响,因此在分析切削力与速度关系时只
16、取轴向切削力Fx和切向切削力Fz进行分析。图中所示曲线在刀具刚开始接触工件时发生剧烈的上升在刀具与工件分离时陡然下降,考虑到刀具与工件之间接触不稳定和传感器零点漂移问题,截取了所有实验所得曲线图中稳定阶段的切削力数据,以此为基础计算各个材料不同速度下的平均切削力。通过对原始数据的处理,计算得到三种合金材料不同切削速度下的平均切削力如表2所示。2 结果分析及结论2.1 切削力与切削速度分析根据表2数据分别绘制轴向切削力Fx与切削速度v和切向切削力Fz与切削速度v之间的变化曲线,如图7、图8所示。对两组切削力曲线进行比较,可以看出在相同的切削参数下,除TB6钛合金的轴向切削力外,其他图3试验过程F
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