１０工具技术高速切削Ｔｉ６Ａ１４Ｖ钛合金时切削温度的试验研究韩满林１李一民１赵威２１南京信息职业技术学院２南京航空航天大学摘要：应用硬质合金刀具对Ｔｉ６Ａ１４ｖ钛合金材料进行了高速车削和高速铣削试验，研究分析了干切削、空气射流及氮气射流条件下的切削温度变化情况。研究结果表明，氮气射流及空气射流条件下的切削温度明显低于干切削条件下的切削温度，而氮气射流条件下的钛合金高速切削温度则略低于空气射流条件下的切削温度。关键词：Ｔｉ６Ａ１４ｖ钛合金，高速切削，切削温度ｂｐ喇贼ｎｔａｌＳｔｌｌ．１ｙ蚰ＣＩｌｔｔｉｎｇ，Ｉ＇ｅｎ耻ｒａｔｌ玳ｉＩｌ碰ｇｌｌＳｐｅｅｄＣｌ】嘣呜ｏｆ嘶Ａ¨ＶＡⅡｏｙＨａｎＭａｎｌｉｎＩｊＹｉｍｉｎＺｈａｏⅥ锄Ａｂｓｔ删：Ｈｉ曲吓ＩｅｅｄｃｕｔｔｉＩｌｇ叩ｒｉｍｅ出ｗｅｒｅｃａＩｌｉｅｄｏｕｔｆｏｒＷｉｄｅｌｙｕｓｅｄｔｉ谢啪ａｌｌｏｙ’Ｉ’ｉ６心Ｖ．ｕｎｃｏａｔｅｄｗＧＣｏ盼Ｉｍｒｌｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｉｎｓｅｎｓｌｌａｖｅｂｅｅｎ印ｐｌｉｅｄｉｎ出ｅｅｘｐｅｒｉｒ鹏ｎｔｓ．Ｗｉｌｈｉｎｔｈｅｌ铷噼ｏｆｃｕｔｔｉｎｇｓｐｅｅｄｓｅｍｐｌｏｙｅｄ（１００ｍ／ｌｌｌｉｎ～６００ｒｎ／ｌＩｌｉｎ），ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｎ北ｈａｓｂｅｅｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｈｅｎＩＩｌｉｍ『ｌｇ锄ｄｔｕｍｉＩｌｇｔｈｅｔｉ谢啪ａｌｌｏｙ．（确ｐ鲥ｓｏｎｓｗｅｒ｛ｅａｌｓ０ｍａｄｅｔｏ咖ｄｙｔｈｅｉＩ诅ｕｅｎｃｅｏｆ（１ｉｌ赫嘲ｃ傩ｉｎｇＩ∞ｄｉａｓｕｃｈ鹊ａｉｒｊｅｔ，墒∞ｇｅｎｇａｓｊｅｔａｎｄｄｒｙｃｕｔｔｉｎｇｃ０武曲璐ｏｎｍａｃｈｉｎｉＩｌｇＴｉ６触４Ｖａｌ—ｌｏｙ．ＴｈｅｒｅｓＩｌｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＩｌｉｔＩ｜０９ｅｎｇ鹅ｊｅｔｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｉｎｄｅｃｒｅａ８ｉｎｇｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｅｍｐｅ髓ｔＩｌｒｅ，ａ１１ｄｉｎ曲ｐｍｖｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔａｃｔ捌ｏｎｓａｔｃ｝ｌｉｐ＿砌ｉｎｔｅｌｆａｃｅｓｄｕｒｉｎｇｄｌｅ｝ｌｉｇ｝ｌ畔ｄ１１１ｉｌｌｉｌｌｇｏｆＴｉ一６肚４ＶａｌｌｏｙｔｈａｌｌａｉｒｊｅｔａＩｌｄｄｒｙｃ删ｌｌｇｃｏｎｄｉｔｉ０璐．Ｎｉ嘲唧ｇａｓｊｅｔｉｓｅｘｃｅｕｅｎｔｃｕｍｎｇｍｅｄｉ啪ｆｏｒｇＤｅｅｎｌｌｉ出ｓｐｅｅｄｎｌａｃｈｉ证ｎｇｏｆｔｉ僦ｕｒｎａｌｌｏｙ．盈鄂阳ｒｄｓ：１韬Ａ】４ＶＡｎｏｙ，ｌｌｉ曲ｓｐｅｅｄｃｕｔ血ｇ，ｃ嘶Ｉｌｇｔｅｍｐｅｍｔｕｒｅ１引言以钛合金（Ｔｉ一６灿．４Ｖ）为试验材料，其具有比强度高、热强度好、耐蚀性高等优点，是航空、航天等工钛合金以其优异的综合机械性能已成为航空工业部门中应用较为广泛的零部件材料。业中应用较为广泛的材料之一，然而钛合金材料较２．２主要试验装置高的化学活泼性和较低的热导率极大地限制了钛合（１）机床及测量设备：机床（Ｍ脚ＮｕＣＰ７１０数金的切削加工性。特别是在高速切削钛合金材料的控加工中心），ＨＰ３５６２动态信号分析仪。过程中，随着切削速度的提高，切削区温度随之升（２）气体射流条件：采用瓶装干燥压缩氮气及压高，从而加剧刀具磨损。而普通切削速度条件下可缩空气，气体从喷嘴的出口压力均为Ｏ．３ＭＰａ，流量以采用的大流量切削液辅助切削方式，则由于高速为１８０～２００Ｌ／ＩＩｌｉｎ。切削条件下刀具易发生热疲劳破坏而不再适应，而（３）刀具材料：本文主要选用删ｔｅｒ公司生产的且大流量切削液的使用还会带来其它一些诸如环境ｗＮＭＧ４０类硬质合金刀具来进行钛合金的高速铣削污染等负面影响。试验，并自制专用刀夹进行钛合金的高速车削试验。为了有效控制钛合金高速切削条件下的切削温在铣削加工时，刀具直径２５ＨⅡｎ，安装刀柄后的刀片升和抑制钛合金的化学活泼性，文献［１］一［５］利用角度为：前角２５。，后角１５０，主偏角９０。，螺旋角ｏ。；在氮气作为切削介质，开展了一定的研究工作，并取得车削加工时，刀具前角５０、１５０，后角３５。、２５。，刃倾角了良好的切削效果。本文即以上述研究为基础，进００。行高速切削钛合金时的切削温度研究，重点对比分２．４试验内容与参数设置析氮气射流、空气射流以及干切削条件对Ｔｉ６Ａ１４Ｖ为分析不同冷却方式对刀具／工件接触区平均钛合金高速切削温度的影响，从而为深入分析钛合温度的影响，本文进行了钛合金高速正交车削试验，金高速切削机理、选择有效可行的冷却润滑方式提采用自然热电偶法进行车削温度的测量，车削温度供必要的理论和数据支持。的评价选择稳定切削段的切削温度平均值；为分析２试验方法不同冷却方式对切削刃口温度及已加工表面温度的影响，进行了钛合金高速铣削温度试验，采用夹丝法２．１试验材料进行铣削温度的测量，铣削温度的评价选择了测温收稿日期：２００８年１月曲线峰值点的平均值作为切削刃温度，测温曲线波万 方数据２００８年第４２卷№６谷点的平均值作为已加工表面温度［８｜。由于切削速度对切削温度的影响最大，因此在试验中主要分析切削速度对切削温度的影响。具体参数分别见表１和表２。切削参数参数取值车削速度口。（ｍ／ｍ．ｍ）１１７．４４，１４４．４５，１８３．０６，２３１．４２，２９３．５９，３６６．１２，４６２．８４，５８７．１８切削深度ｎ。（ｎｍ）１．Ｏ进给量∥—ｎ／ｒ）Ｏ．１表２钛合金高速铣削参数设置切削参数参数取值铣削速度”。（ｍ／ｎ曲）１００，１７５，１９０，２５０，２７５，３００，４００轴向切深ｏ。（一）４径向切深ｎ。（一）１每齿进给正（ｎｍ／ｚ）Ｏ．∞，Ｏ．１，Ｏ．１５，０．２，Ｏ．２５３钛合金高速切削温度的测量切削温度的测量是一种主要的切削实验技术，可以用来研究各种因素对切削温度的影响，从而对一定的工件材料和刀具材料的组合选择合理的刀具稽核参数和切削用量，也可以用来校核切削温度理论计算的准确性，有时还可以利用切削温度信号来控制切削过程。３．１车削温度的测量切削温度的测量方法很多，目前应用较为广泛的切削温度测量方法是自然热电偶法、人工／半人工热电偶法及红外测温法等【６，７｜。本文在钛合金高速车削试验中采用的是如图１所示的自然热电偶测温法，自然热电偶由钛合金薄壁圆筒与ＷＭＧ４０硬质合金刀具两种材料组成。当刀具与工件接触区的温度升高以后，便形成热电偶的热端，而工件的引出端和刀具后端保持室温，形成了热电偶的冷端。这样在刀具和工件的回路中便产生了热电势，利用３５６２动态信号分析仪，可以详细记录热电势的数值，通过预先求得的热电势标定曲线，便可换算成切削温度。在实际切削温度的测量过程中，需考虑热电偶冷端温度的影响，在试验测量装置中增加补偿电路，或在切削温度的换算时进行切削温度的补偿。图２为钛合金高速车削过程中利用自然热电偶测温法测量的切削温度曲线。从该图可以看出，在刀具切入段，切削热电势快速升高，当进入稳定切削阶段时，切削热电势基本维持在一稳定的数值，当刀具切出时，热电势又迅速下降。由于车削时的切削振动，刀具与工件的相对位置产生变化，切削厚度的万 方数据微小变化均会体现在刀具／工件接触区的温度变化上。因此由于切削振动的影响，使得热电势测量曲线中出现了明显的波动状况。图１刀具一工件自然热电偶测温装置原理图图２车削隅ＡＨｖ时的切削温度曲线（２∞ｍ／ＩｎｉＩＩ）３．２铣削温度的测量高速铣削时刀具处于高速旋转状态而且刀具的的响应时间。在采用夹丝法的半人工热电偶测量工时可以形成较小的热结点，提高测温的响应速度，而本文在钛合金高速铣削试验过程中采用了夹丝图４为钛合金高速铣削过程中利用半人工热电区域的放大示图。从该图可以看出，由于铣削的周切削时问非常短，在选用测温方法时必须考虑测温件的铣削温度时，可以采用比较细的康铜丝，在切削且可直接获得已加工表面的温度和切削刃口的温剧８｜。法一半人工热电偶测量铣削温度的测量方法（如图３所示）。应用两片经过磨削后的４０ｔ砌×５０栅ｘ７Ｉ砌的Ｔｉ６舢４Ｖ钛合金试样和厚度为Ｏ．２ｌ咖的康铜丝构成热电偶；两片试件的底端由虎钳夹紧，并固定在机床工作平台上；在试验时康铜丝、试件和虎钳均用绝缘层隔开，以防干扰信号。偶测温法测量的切削温度曲线，图４ｂ为图４ａ局部期性变化，铣削温度曲线也呈现出相应的周期性变化，当刀尖切至热结点的瞬时，切削温度曲线剧增达到最高值，随着刀具划过热结点，切削温度曲线随即１２迅速下降。根据铣削过程的测温特点，峰值Ａ处数值代表切削刃切至热结点的瞬间切削刃温度；在Ａ之后的Ｂ区为已加工表面温度变化。旋转方向图３夹丝法铣削测温示意图ｐ謇襄墨（ａ）整体测温曲线ｐ嘉襄器（ｂ）局部放大图４铣削’ｎ６ＡＭｖ时的切削温度曲线（１７５ｍ／ｎ面）４试验结果与分析图５为车削温度随车削速度的变化曲线，图中三条曲线分别代表干切削、空气射流及氮气射流条件下的切削温度变化曲线。从该图可以看出，随着切削速度的提高，切削做功增大，单位时间内产生的切削热相应增多，因而切削温度升高；同时随着切削速度的提高，切屑与前刀面及已加工表面与后刀面间的摩擦热增多，也会引起切削温度的升高。但是，随着切削速度的提高，切削层金属的变形程度减小，因此，尽管切削温度随着切削速度的增加而增加，但万 方数据工具技术它不与切削速度成正比例的增加。图５车削温度随车削速度的变化曲线此外，通过图５还可以看出，干切削时的切削温度。采用压力空气或压力氮气吹射切削区，气体射流可以带走部分切削热，降低切削温度；另外，文献［９］的试验研究结果表明，氮气介质下的摩擦副摩擦系数稍低于空气介质下的摩擦系数，具有一定的减件材料的接触区状态，降低摩擦热的产生，从而起到降低切削温度的作用。因此，氮气介质下的切削温度要稍低于空气介质下的切削温度。图６所示为切削刃温度随铣削速度的变化曲线。随着铣削速度的提高，切削刃温度呈近似线性增加，这与车削温度的变化有着较大的不同。此外，由于温度测量方式的不同，使得铣削温度与车削温度的数值也存在一定的差别。从不同冷却条件对切削刃温度的影响结果来看，空气射流及氮气射流下的切削刃温度随着铣削速度的增加而交替上升，作用效果相近，而两种切削介质下的切削刃温度稍低于干切削时的切削刃温度。当切削刃切至热结点时，刀具与工件材料的紧密接触，使得气体射流的作用效果降低，从而对切削刃温度的影响减弱。呈聱蠢挢黝鼢黜嬲渤必渤图６切削刃温度随铣削速度的变化曲线图７所示为刀刃划过热结点后的工件已加工表面温度。已加工表面温度随着铣削速度的增加亦呈近似线性增加趋势，但根据测量结果来看，其最大值不会超过２００℃，远低于钛合金的相变温度和烧伤度相对高于空气射流及氮气射流条件下的切削温摩作用，而氮气介质的减摩作用则会改善刀具与工２嘲年第４２卷№６温度。另一方面，当切削刃划过热结点时，气体射流的冷却效果显著，因此，空气射流及氮气射流冷却条件下的已加工表面温度均低于干切削时的已加工表面温度，由于空气介质及氮气介质的换热系数相近，故氮气射流与空气射流条件下的已加工表面温度大小亦相接近，但略低于空气射流条件下的已加工表面温度。譬蠹蠢图７已加工表面温度随铣削速度的变化曲线５结语利用氮气射流、空气射流以及干切削方式进行Ｔｉ６Ａ１４ｖ钛合金的高速铣削温度试验，可得到以下结论：随着切削速度的提高，切削区温度亦随之升高；由于气体射流具有良好的冷却作用，因此在高速车削以及高速铣削过程中，空气射流与氮气射流条件下的切削区温度均明显比干切削时的切削温度低。在切削用量相同的条件下，氮气射流下的切削温度略低于空气射流下的切削温度，说明氮气介质比空气介质更能有效改善刀／屑接触区的接触状况，抑制切削温升。通过高速车削及高速铣削时的切削温度曲线对比分析，可以看出，气体射流在断续切削方面的优势更加明显。夹丝法作为高速铣削时切削温度的测量方法，仍有待改进，但可从定性分析的角度对测量数据加以分析利用。参考文献ｌＺＬｈＩａｌｌ，ＮＨｅ，ＫＷｕ，ｄ以．ＭｉｕｅｒｗｅａｒｉＩｌｍｉｍＩ】ｇ’１１ａＩｌｏｙｗｉｔｌｌｎｉｍ）ｇｅ：ｎｇ明ｍ础ａ．Ｔｒ绷嘲屺！ｔｉｏｎｏｆＮａｎｊｉｎｇＵ血ｖｅ璐ｉｔ）ｒｏｆＡｅｍ．ａｎｄＡｓｔＩＤ．，２００２，１９（２）：１４０～１４４分析研究．航空精密制造技术，２００２，３８（６）：１２。１５３满忠雷，何宁，武凯等．氮气介质下铣削钛合金时的刀具磨损研究．机械科学与技术，２００３，２２（６）：９９６—９９８时铣削力的试验研究．机械工程师，２００４（４）：５—８万 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作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
韩满林， 李一民， 赵威， Han Manlin， Li Yimin， Zhao Wei
韩满林,李一民,Han Manlin,Li Yimin(南京信息职业技术学院)， 赵威,Zhao Wei(南京航空航天大学)工具技术
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