钛合金Ti-6Al-4V在直角切削过程中切削成形的特征

摘要：

钛合金Ti-6Al-4V的正交切削过程中形成的离散型式的切削碎片，这个过程借助高速成像技术详细研究了切削碎片的形成区域。切削速度从4米/分钟增加到120米/分钟,进给分别用0.05、0.075、0.1毫米。切削碎片的形成被全程观测并且详细的测量结果利用视频记录了切削碎片的变形和剪切带分离切削碎片的过程。切削碎片几何扇形解释了以上所给出的的切削参数和剪切应变在切削碎片的剪切带内部。一个切削热建立过程的模型时很成熟的，并且基本剪切带和刀具刮擦面的平均温度可以计算出来。摘自2008年 CIRP.

关键词:正交切削时的钛合金剪应变；有热造成的几何切削碎片模型

1简介

本研究的目的是为了描述钛合金在加工中切削碎片的形成过程。Ti-6Al - 4 V是目前在工业中应用最广泛的合金并且在过去就成为许多试验和模型化的课题。事实上研究人员都把它看作是模型材料，以为它能以极低切削速度形成切削碎片而这一现象只能在其他材料以更高的切削速度时才能被观测到[5]。在Ti– 6Al–4V合金的正交切削过程中对切削碎片形态, 切削力和噪声排放数据的分析已经成为前期实验调查中从15米/分钟增加到200米/分钟的常规切削的课题 [1，8]。其他的研究人员利用急停试验来检查在从300米/分钟增加到4800米/分钟的极高的切削速度下切削碎片的形成过程[3，7]。观察锯齿切削碎片在由于切削速度增加个别切削碎片连接变得松散的前期实验调查中被全程观测到。

2 切削碎片形成模型

2.1 连续切削碎片的形成

连续切削碎片的形式典型形式时在正交切削中期一层很薄的剪切带向切削方向倾斜成角度。是切削速度并且切削碎片的速度是。切削碎片的压缩比λ被定义为:

                                         (1)

如果侧向流可以忽略则变形碎片厚度对未变形碎片厚度h的比率可以通过给定的道具刮擦角ｒ来计算剪切角Φ。如果这种方法应用于切削碎片，那么就能得到一个值很高的剪切角并且他们不是典型的过程。剪切应变的主要剪切带的形式是:

                                               (2)

2.2 离散型切削碎片的形成

离散型切削碎片的形成分为两个阶段,在此过程中刀具头部的工件材料的塑性变形引起它膨胀。当一个临界应变水平被到达灾难性故障发生时一个从刀具的尖端延伸到工件表面的剪切带就形成了。由此形成的切削碎片由适当变形的切削碎片通过狭窄的剧烈的材料剪切带组成。这种切削碎片的形成模型如图1。

这个局部剪切段的方向通过测量显微组织切削碎片得到。剪切角的瞬时值可能会有所变化在压缩阶段,不是达到一个阶段值而是达到灾难性的剪切阶段。

在较高的切削速度这一差异会降低,因此可以假定=,并因变形厚度= 在压缩阶段保持不变。由此产生的每个阶段的剪切沿着相邻剪切带的位面平行。开始于剪切带的形成的临界剪切可以通过剪切角P确定，用通这个剪切角工件表面在压缩阶段的末期膨胀。分割阶段的变形见公示[10]。

　                                 （3）

更一般的情形, 当Φ变化时,离散切削变形见公式[4]:

                                                （4）

图1 .切削碎片的几何形状。                  图2。正交切削中的热源与散热

公示(3)和(4)是在=情况下得出的,这种情况适用于高速切削。在压缩应变和灾难性的剪应变过程中剪切带内的剪切应变是相同性质的应变的总和。这时剪切应变是剪切带投影和剪切带厚度的比值。

                                          (5)

3 热模型

正交切削的切削区温度分布于切削带内，可以把连续切削碎片看作一个理想的二维稳态热传导问题,如上图图2。如果假定一个非常锋利的刀具，就要考虑两种热源;是单位时间产生的热量，通过剪切面上产生的塑性变形和 ，单位时间产生的摩擦热穿过接触带传递到前刀面。下列情况用于描述沿剪切平面平均温度[9]:

                                                     （6）

                                                （7）

是工件的初始温度、是工件输入转化为热的比例(假设为一整体),是剪切面上的平均剪切应力,是主要变形区的平均剪切应变。工件材料密度,比热容、热扩散能使用物理数据[6] 进行评估。这些特性由在 和之间的中间温度来确定。分隔比由每个公式迭代进行计算并且直到我们获得一个收敛的解决方法公式(六)、(七)就得出了。   在刀具和切削碎片接触区工具的平均温升见公式[9]:

　                                        （8）

是工件的宽度, 是一种基于刀具和切削碎片接触区几何形状的形状因子并且是刀具和切削碎片的接触长度。

工件的热导率、刀具导热系数，工件导热系数由温度和分割比进行计算。在直到确定时的一个收敛的解决方案中公式(八)、(九)才能迭代解决。

　                               （9）

4实验装置

4.1 工件材料

正交切削试验完成进一系列的平面钛合金Ti - 6 Al-4V盘。固体盘用来进行连续切削试验，尽管带有三个径向槽的盘被用于中断测试。盘被牢固安装在车床心轴上。一个标称厚度2毫米的盘由60毫米得实心的棒材制备。盘的一面是光滑的并且用逐渐细化的碳化硅抛光研磨成镜面。这个碳化硅带有9毫米菱形磨粒和0.04毫米硅溶胶。盘随后用试剂蚀刻获得一个粗糙面直到能防止眩光成像。 所用的原材料是额外的低合金空隙(ELI)制造的合金，这种合金一般应用于生物科学技术。材料在退火形态时被获得，这种形态为严酷的340高压和一个a–b等边的并且以10毫米粒度的微观结构。

4.2 机床及加工

测试是特别地改装一个5.5 kW的手动车床。25毫米的钢板基板被固定车床横向滑板上。当高速摄像机/透镜成像系统装配允许成像系统跟随插入刀具的切削边缘当它下跌到工件维时，工具把柄/工具压迫功率计部件螺螺旋进入的这个基板(图3)。表面未刷漆的细WC镶嵌件(ISO等级S15)被使用; TPUN 1603 08 H10F形式的插入件被安装在一个正面工具把柄上。这个镶嵌件有平的倾斜面并且切削边缘半径大约5毫米。测试只被锋利的刀具引导, 镶嵌件的直角边被用于切割。一个新的镶嵌件边缘用于每一个实验。放置在镶嵌件上的刮擦角gne是6.58。一个压缩空气喷气机用于清除切削区切屑。

图3。带有特写镜头的刀具/工件的实验设备的安排

4.3  成像和照明系统

一台带有单色1024Х1024 CMOS传感器阵列的高速摄像机被用于所有的测试。这个项目的图片在一个速度为24000 针和一个解决512Х128像素的框架内被捕获。一个带有手动对焦模式和一个特写镜头的长距离显微镜目的是调整和连接照相机。1毫米精度带有10微米焦距的玻璃幻灯片被捕捉,并且整个成像系统发现每毫米有554.1个像素。有效视场(视场)为0.92毫米Х0.23毫米。照明由铜蒸气激光源提供。激光以24 kHz的频率连续的从高速摄像机系统运行。激光被送到一个1毫米的光纤电缆传送到一个平凸的透镜装配用于聚焦切削区上的光。

4.4 仪表

切削力和进给力利用四轴压力功率计和电荷放大器仪进行测量。力信号被基于pc的数据采集系统所记录。48 kHz的采样率贯穿始终。一个脉冲发生器被用来同步成像和数据采集系统。特征跟踪软件能够跟踪屏幕上计算结果的位移、速度和加速度。

5  实验结果

5.1. 接触力和刀具 - 切削碎片数据长度

超过切削速度范围的一个几乎恒定的速度对切削和进给力逐渐下降的影响进行了分析。刀具 - 切削碎片接触长度可以由从视频图像和测量的一到两个切削碎片的一般延长长度来确定。有较大程度散射的平均值都相当稳定(图4)。

图4 刀具接触力数据长度和进给量h = 0.1毫米

5.2  切削碎片的几何学和剪切应变

图5显示段剪切角增加, 而切削速度达到上限接近408, 膨胀角碎片的片段减少而且接近一恒定值278。灾难性的滑动之前，切削碎片段内临界剪切应变由切削碎片的一系列切削条件几何测量。和切割速度来确定。

图5  切削碎片段几何和剪切应变为h = 0.1毫米

从录制的图像分析出切削碎片速度。切削碎片压缩比可以由计(1)算。(2)式被用来计算切削碎片的总体平均剪切应变。(3)及(4)分别计算部分剪切应变。在图5可以看出,在高速切削情况下和减小到一个几乎恒定的值。和之间的区别在剧烈的剪切过程中。

5.3表面剪切角

图 6 为从切削碎片速度的切削显微像测量和集合切削碎片的测量试样数据，它决定了表面剪角值（基于一个连续的薄片形态学）的进给量为 0.1 毫米。所有的技术适当的度数表现出合理的分散,但总体较好。作为切削速度的剪切角明显增加，

图6  表面剪切角和主要的平均剪切应力h = 0.1毫米

                       图 7  被预测的平均的温度和分割比 h ＝ 0.1 毫米

图8 能量分布和工具耙面热流密度h = 0.1毫米

渐近地逼近508。这个值没有一个真正的物理意义,但它被用来确定加工性能的平均切削参数。基于对切削碎片速度的测量，初始区域的平均剪切应力得到了明显的改善。切削速度几乎增加为恒定值。

5.4  温度和分区预测率

图7显示平均剪切平面温度随切削速度增加缓慢与此同时平均工具耙输温度随切削速度抛物线式降低表示为。我们可以看出分隔比是负值,切削速度低于12.5米/分钟。这意味着在高温情况下剪切带流入工具生成切削碎片,结果刀具 - 切削碎片接口温度下降。类似前面进行的观察研究的镍和材料加工中由于摩擦在专门的能量参与下剪切相对大。

5.5  能量分布和刀具耙面热流密度

图8描述了主要以热的形式减少能源的分布而出现的过程。为加快切削速度,分数有所增加,而进入工具和工件相对的切削碎片之间的比例减少。进入工具的热流密度在刀具 - 切削碎片接触长度处增加, 在这个界面由于摩擦切削速度增加而导致温度升高。

6结论

高速成像为描述正交切削钛合金的Al-4V Ti - 6提供了详细的实时数据形成过程。对切削碎片形成过程的图像分析证实了切削碎片的几何形状并且剪应变和切削碎片有关。开发了一个简化的热模型来预测由于剪切、摩擦切削碎片平均温度的上升。这对减少热源在切削过程和热流密度在刀具 - 切削碎片界面的分布是个展望。

参考文献：

（1） Barry, J., Byrne, G., Lennon, D., 2001, Observations on Chip Formation and Acoustic Emission in Machining Ti–6Al–4V Alloy, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 41:1055–1070.

（2）Childs, T.H.C., 1978, Some Aspects of Friction Heating during Metal Cutting, Wear, 50:321–331.

（3） Gente, A., Hoffmeister, H.-W., 2001, Chip Formation in Machining Ti6Al4V at Extremely High Cutting Speeds, Annals of the CIRP, 50/1: 49–52.

（1） He, N., Lee, T.C., Lau, W.S., Chan, S.K., 2002, Assessment of Deformation of a Shear Localized Chip in High Speed Machining, Journal of Materials Processing Technology, 129:101–104.

（2） Komanduri, R., von Turkovich, B.F., 1981, New Observations on the Mechanism of Chip Formation when Machining Titanium Alloys, Wear, 69:179–188.

（3） Mills, K.C., 2002, Recommended Values of Thermophysical Properties for Selected Commercial Alloys, Woodhead Publishing, UK. ISBN 1855735695.

（4） Molinari, A., Musquar, C., Sutter, G., 2002, Adiabatic Shear Banding in High Speed Machining of Ti–6Al–4V: Experiments and Modeling, International Journal of Plasticity, 18:443–459.

（5） Shaw, M.C., Janakiram, M., Vyas, A., 1991, The Role of Fracture in Metal Cutting Chip Formation, SME, NSF Grantees Conf. Austin (Texas), pp.359–366.

（6） Shaw, M.C., 2004, Metal Cutting Principles, 2nd ed. Oxford Univ. Press. ISBN 0195142063.

（7） Turley, D.M., Doyle, E.D., 1982, Calculation of Shear Strains in Chip Formation of Titanium, Materials Science and Engineering, 55:45–48.