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【摘要】：本文通过对TC4钛合金锻件进行单因素铣削实验，得出其切屑形态随着铣削深度a的增大将由紧密螺旋状逐渐变为松散状的结论。通过铣削率模型，找到了在特定铣削速度和进给速度下，铣削钛合金的最佳深度范围，对于钛合金铣削加工具有生产指导意义。
【关键词】：钛合金；切屑形态；铣削深度；铣削体积；铣削时间；铣削率
引 言
钛合金具有质量轻、强度高、高温性能好、耐腐蚀等许多优点.在航空航天、船舶和化工等工业部门得到广泛的应用[1]。但由于钛合金导热系数低、摩擦因数大、弹性模量小、化学活性大、切屑与前刀面的接触面积小，使得钛合金切削加工性较差[2]。
目前TC4应用比较广泛，是以α相为主的双相合金，β相一般少于30%，其综合性能好，组织稳定，有良好的韧性、塑性和高温变形性能。但是，在高速条件的切削力、切削温度以及刀具磨损机理等方面还有很多现象解释不清，对工件的表面质量的影响方面等问题，针对这些问题国内外学者做过很多研究。
Narutaki对钛合金TC4的切削力和切削温度进行研究得到：切削钛合金时刀具磨损并非切削力所致，而切削温度是致使钛合金难以继续切削的主要原因。F. Klocke， N等人在分析和实验的基础上，对涂层硬质合金刀具铣削TC4的效率进行了评价，用有限元的方法对切削时的应力-应变曲线进行分析。
1试验材料及过程
1.1.试验材料
试验材料为TC4钛合金锻件，尺寸为290mm×192 mm×65mm，其化学成分见表1。
表1 TC4钛合金的化学成分%
合金
牌号 成 分 抗拉强度
σb/MPa 伸长率δ
/% 冲击韧性
ak/104J·m-2 硬度
HB 弹性模量
E/106MPa 导热系
/W·（m·K）-1
TC4 TC4 903 10 39.24 320-360 0.111 5.44
1.2.试验条件与过程
为研究铣削时钛合金的切屑形态与铣削深度的关系，并确定在特定铣削速度 和进给速度 条件下的最佳铣削深度 范围，应用单因素试验方法，设计了采用25HSS的莫氏锥柄立铣刀在X5032立式升降台铣床上对试件连续铣出台阶面的实验。图1铣削实验现场，图2为铣削实验示意图。实验中，选用乳化液对工件和刀具进行冷却。
图1 铣削实验现场 1.主轴 2.立铣刀 3.实验工件 4.工作
2.实验结果及分析
2.1.实验结果
2.1.1.不同铣削深度下铣削钛合金所得的切屑形态宏观照片，如图3，从图中可以看出：钛合
金切屑较短，并以曲面形状弯曲，外部光滑明亮，内部粗糙暗黑，肉眼可看到切屑表面存在锯齿纹理；不同铣削深度ap所对应的切屑形态也不一致，且随ap值的增加，钛合金切屑基本上呈现由较紧密的螺旋状，逐渐转变为松散的卷曲状的特点。
（1） ap=0.82mm （2）ap=1.82mm （3）ap=2.94mm
图2 不同铣削深度ap下钛合金的切屑形态
2.1.2.每刀铣削体积和每刀铣削时间
每刀铣削体积，是指立铣刀在每个台阶面所切除的钛合金体积总量，用V表示，单位为mm-3。
总长度，用T表示，单位为s，实验结果用秒表测得。
2.2.实验分析
2.2.1.钛合金切屑形成过程
在金属切削加工时，切屑卷曲是金属切削过程的一种基本现象，当切屑沿前刀面流动时，切屑底层的流动速度较切屑的其他部分缓慢得多，产生了滞留现象，并发生了二次塑性变形，于是切屑以曲面形状弯曲。
图3 切屑的形成过程示意图
TC4钛合金变形系数s约为1，加工时，经常出现挤裂切屑，可以在（1.5-4800）m/min的切削速度范围内形成锯齿状切屑。与通常的带状切屑不同，钛合金的切屑是由许多微小的单元组成的，钛合金的切削变形有典型的局部剪切特征，一个切屑单元由变形很小的屑段和剪切变形极大的集中剪切区两部分组成。在屑段的内部，没有明显的变形现象，而在屑段连接的地方，材料发生了明显的剪切变形，形成了集中剪切区。
图5 铣削时间和铣削深度的T-ap关系图
2.2.2.钛合金铣削率η与铣削深度ap之间的关系
钛合金铣削率是每刀铣削体积和每刀铣削时间的比值，即 ，用来表示单位时间内钛合金被铣削切除的体积量。将实验样点用光滑曲线连起来，得到图6所示的η-ap关系图。从图中可以看出，随着铣削深度ap的增加，钛合金的铣削率逐渐提高。铣削深度处于0mm-6.18mm范围时，由于铣削力变化较小，η-ap基本保持线性关系；随着ap的增加，x、y方向的铣削力增大且变化明显，当铣削深度达到6.18mm-10.7mm时，图线呈现弯曲状态，且在10.3mm处开始趋近于水平线。
图6 铣削率和铣削深度的η-ap关系图
3.结 论
通过对钛合金TC4进行铣削试验及结果分析，可以得到以下结论：
3.1.铣削深度ap对钛合金切屑形态有一定影响。钛合金切屑有锯齿纹理，且随着ap的增大，切屑由紧密的螺旋状形态，逐渐转变为松散的卷曲状形态。
3.2.铣削率η与铣削深度关系密切，铣削深度越大，铣削率越大，且变化明显。因此，为提高钛合金铣削率，可采用增加铣削深度的方法予以实现。
【参考文献】：
[1] 苏林林，苏宏华，耿国盛等.钛合金TCI7的高速铣削研究[J].机械制造与自动化，2012，41（5）：35-37.
[2]张喜燕，赵永庆，白晨光.钛合金及应用[M].北京：化学工业大学出版社，2005.3.
[3] 张泠，刘海东.钛合金高速铣削试验研究[J].煤矿机械，2007，28（12）：113-115.
【作者简介】：
梁佐兴（1987—），男，山东省临沂人，西华大学在读硕士研究生，主要研究方向：机电一体化
【关键词】：钛合金；切屑形态；铣削深度；铣削体积；铣削时间；铣削率
引 言
钛合金具有质量轻、强度高、高温性能好、耐腐蚀等许多优点.在航空航天、船舶和化工等工业部门得到广泛的应用[1]。但由于钛合金导热系数低、摩擦因数大、弹性模量小、化学活性大、切屑与前刀面的接触面积小，使得钛合金切削加工性较差[2]。
目前TC4应用比较广泛，是以α相为主的双相合金，β相一般少于30%，其综合性能好，组织稳定，有良好的韧性、塑性和高温变形性能。但是，在高速条件的切削力、切削温度以及刀具磨损机理等方面还有很多现象解释不清，对工件的表面质量的影响方面等问题，针对这些问题国内外学者做过很多研究。
Narutaki对钛合金TC4的切削力和切削温度进行研究得到：切削钛合金时刀具磨损并非切削力所致，而切削温度是致使钛合金难以继续切削的主要原因。F. Klocke， N等人在分析和实验的基础上，对涂层硬质合金刀具铣削TC4的效率进行了评价，用有限元的方法对切削时的应力-应变曲线进行分析。
1试验材料及过程
1.1.试验材料
试验材料为TC4钛合金锻件，尺寸为290mm×192 mm×65mm，其化学成分见表1。
表1 TC4钛合金的化学成分%
合金
牌号 成 分 抗拉强度
σb/MPa 伸长率δ
/% 冲击韧性
ak/104J·m-2 硬度
HB 弹性模量
E/106MPa 导热系
/W·（m·K）-1
TC4 TC4 903 10 39.24 320-360 0.111 5.44
1.2.试验条件与过程
为研究铣削时钛合金的切屑形态与铣削深度的关系，并确定在特定铣削速度 和进给速度 条件下的最佳铣削深度 范围，应用单因素试验方法，设计了采用25HSS的莫氏锥柄立铣刀在X5032立式升降台铣床上对试件连续铣出台阶面的实验。图1铣削实验现场，图2为铣削实验示意图。实验中，选用乳化液对工件和刀具进行冷却。
图1 铣削实验现场 1.主轴 2.立铣刀 3.实验工件 4.工作
2.实验结果及分析
2.1.实验结果
2.1.1.不同铣削深度下铣削钛合金所得的切屑形态宏观照片，如图3，从图中可以看出：钛合
金切屑较短，并以曲面形状弯曲，外部光滑明亮，内部粗糙暗黑，肉眼可看到切屑表面存在锯齿纹理；不同铣削深度ap所对应的切屑形态也不一致，且随ap值的增加，钛合金切屑基本上呈现由较紧密的螺旋状，逐渐转变为松散的卷曲状的特点。
（1） ap=0.82mm （2）ap=1.82mm （3）ap=2.94mm
图2 不同铣削深度ap下钛合金的切屑形态
2.1.2.每刀铣削体积和每刀铣削时间
每刀铣削体积，是指立铣刀在每个台阶面所切除的钛合金体积总量，用V表示，单位为mm-3。
总长度，用T表示，单位为s，实验结果用秒表测得。
2.2.实验分析
2.2.1.钛合金切屑形成过程
在金属切削加工时，切屑卷曲是金属切削过程的一种基本现象，当切屑沿前刀面流动时，切屑底层的流动速度较切屑的其他部分缓慢得多，产生了滞留现象，并发生了二次塑性变形，于是切屑以曲面形状弯曲。
图3 切屑的形成过程示意图
TC4钛合金变形系数s约为1，加工时，经常出现挤裂切屑，可以在（1.5-4800）m/min的切削速度范围内形成锯齿状切屑。与通常的带状切屑不同，钛合金的切屑是由许多微小的单元组成的，钛合金的切削变形有典型的局部剪切特征，一个切屑单元由变形很小的屑段和剪切变形极大的集中剪切区两部分组成。在屑段的内部，没有明显的变形现象，而在屑段连接的地方，材料发生了明显的剪切变形，形成了集中剪切区。
图5 铣削时间和铣削深度的T-ap关系图
2.2.2.钛合金铣削率η与铣削深度ap之间的关系
钛合金铣削率是每刀铣削体积和每刀铣削时间的比值，即 ，用来表示单位时间内钛合金被铣削切除的体积量。将实验样点用光滑曲线连起来，得到图6所示的η-ap关系图。从图中可以看出，随着铣削深度ap的增加，钛合金的铣削率逐渐提高。铣削深度处于0mm-6.18mm范围时，由于铣削力变化较小，η-ap基本保持线性关系；随着ap的增加，x、y方向的铣削力增大且变化明显，当铣削深度达到6.18mm-10.7mm时，图线呈现弯曲状态，且在10.3mm处开始趋近于水平线。
图6 铣削率和铣削深度的η-ap关系图
3.结 论
通过对钛合金TC4进行铣削试验及结果分析，可以得到以下结论：
3.1.铣削深度ap对钛合金切屑形态有一定影响。钛合金切屑有锯齿纹理，且随着ap的增大，切屑由紧密的螺旋状形态，逐渐转变为松散的卷曲状形态。
3.2.铣削率η与铣削深度关系密切，铣削深度越大，铣削率越大，且变化明显。因此，为提高钛合金铣削率，可采用增加铣削深度的方法予以实现。
【参考文献】：
[1] 苏林林，苏宏华，耿国盛等.钛合金TCI7的高速铣削研究[J].机械制造与自动化，2012，41（5）：35-37.
[2]张喜燕，赵永庆，白晨光.钛合金及应用[M].北京：化学工业大学出版社，2005.3.
[3] 张泠，刘海东.钛合金高速铣削试验研究[J].煤矿机械，2007，28（12）：113-115.
【作者简介】：
梁佐兴（1987—），男，山东省临沂人，西华大学在读硕士研究生，主要研究方向：机电一体化