高速铣削钛合金Ti-6AL-4V的切屑形态分析.pdf

Internal Combustion Engine the micro morphology of chips in the cross section the back surface is a curve the free surface is irregular jagged the spacing of the serrated size is not exactly the same The micro morphology of chips is saw tooth shape and the milling parameters have great influence on the tooth width pitch and the degree of tooth width 关键词院高速铣削 铣削参数 切屑形态 Key words high speed milling milling parameter chip formation 要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要 作者简介院王来照 1985 男 安徽六安人 助理讲师 本科 学 士 主要研究方向为先进制造技术 55 内燃机与配件 图2所示 切屑背面 由于为刀具前刀面与切屑接触的表 面 因此在第二变形区经受了较高的接触应力和剪应力 从而呈现出平滑而光亮的状态 自由表面 则呈现出毛茸 层状 vc 500m min fr 0 02mm rvc 340m min fr 0 02mm r 图 2 切屑宏观形态特征渊ae 0 15mm袁ap 4mm冤 背面 自由表面 自由表面 背面 在高速铣削单因素试验条件下 表1 铣削参数对切 屑宏观形态的影响如图3 5所示 在fr 0 02mm r ae 0 15mm ap 4mm的切削条件下 铣 削速度对切屑宏观形态特征的影响 如图3所示 在侧铣 过程中 切屑的变形受到刀具前角的限制 切屑形状呈现 为螺旋卷曲状 随着切削速度的提高 切屑的形态特征并 没有较大的变化 为规则的螺旋卷曲状 虽然轴向切深都 为ap 4mm 但螺旋卷曲切屑的螺距有所不同 从而切屑卷 曲之后长度有所变化 vc 180m minvc 260m minvc 340m minvc 420m minvc 500m min 图 3 不同铣削速度下的切屑形态特征 渊fr 0 02mm r袁ae 0 15mm袁ap 4mm冤 在vc 340m min ae 0 15mm ap 4mm的切削条件下 每转进给量对切屑宏观形态特征的影响 如图4所示 由 图可知 当每转进给量fr 0 02mm r时 切屑呈现为带状切 屑 而在其它条件下 切屑为螺旋卷曲状 随着每转进给量 的增加 切屑的变形程度增大 螺距逐渐减小 这是由于每 转进给量增大 使得每齿进给量增大 导致每齿切削体积 增大 从而切屑承受的应力 应变增大 导致切屑变形程度 较严重 切屑的螺距逐渐减小 fr 0 02mm rfr 0 04mm r fr 0 06mm r fr 0 08mm rfr 0 10mm r 图 4 不同每转进给量下的切屑形态特征 渊vc 340m min袁ae 0 15mm袁ap 4mm冤 在vc 340m min fr 0 06mm r ap 4mm的切削条件下 切削厚度对切屑宏观形态特征的影响 如图5所示 由图 可知图 当轴向切深ae 0 05mm 和ae 0 15mm时 切屑主 要呈现为带状切屑和螺旋卷曲状切屑 在此条件下 为带 状切屑向螺旋卷曲状切屑的过渡状态 而在其它轴向切深 条件下 切屑呈现为螺旋状切屑 随着切屑厚度的增加 切 屑面积增加 从而造成切屑应力 应变程度严重 使得螺距 逐渐减小 ae 0 05mmae 0 15mmae 0 20mmae 0 25mmae 0 30mm 图 5 不同切削厚度下的切屑形态特征 渊vc 340m min袁fr 0 06mm r袁ap 4mm冤 综上所述 在高速铣削钛合金加工单因素试验条件 下 由于刀具螺旋角为45毅 侧铣过程为斜角切削 切屑的 形状受到刀具结构形状的限制 从而主要呈现为带状切 屑 螺旋卷曲状切屑 2 3切屑微观形态特征 通过对大量的切屑金相组织的观察 切削加工过程中 会产生两种类型切屑即带状切屑和锯齿形切屑 带状切屑 在较低切削速度下形成 切屑层厚度基本没有变化 变形 比较均匀 上下表面基本光滑或凹凸的高度与切屑厚度相 比非常小 切屑内的变形以均匀滑移的方式进行 而在较 高切削速度的条件下 易于形成锯齿形切屑 其厚度发生 序 号 铣削速度 vc m min 每转进给量 fr mm r 径向切深 ae mm 轴向切深 ap mm 1 2 3 4 5 180 260 340 420 500 0 060 153 6 7 8 9 10 340 0 02 0 04 0 06 0 08 0 10 0 153 11 12 13 14 15 3400 06 0 05 0 10 0 15 0 20 0 25 3 表 1 单因素试验安排 图 1 铣削加工示意图 自由表面 横截面 端刃 厚度 宽度 背面 侧刃 刀尖 vc ae ap 56 Internal Combustion Engine Parts 循环起伏和周期性变化 切屑内变形极为不均匀 2 3 1切屑微观形态 淤自由表面 采用扫描电子显微镜观察切屑自由表面微观形貌 由图6可知 自由表面其表面凹凸不平 由多层起伏的不 规则的锯齿状剪切面 齿顶 齿根组成 沿着齿根到齿顶 变化的方向 具有一致性的剪切滑移纹路 剪切面的形 状 大小并不完全相同 并且局部剪切面间有位错相交的 迹象 图 6 切屑自由表面微观形貌 SEM 照片 S4800 15 0kV 15 4mm伊5 00k10 0um 渊vc 340m min袁fr 0 06mm r袁ae 0 15mm袁ap 4mm冤 于背面 切屑背面SEM照片 如图7所示 切屑背面完全不同 于自由表面 其表面比较平整 平滑而光亮 切削加工过程 中 切屑背面沿着刀具前刀面滑过 受到前刀面的挤压和 剪切 经受较高的接触应力和剪切应力 并形成了沿切屑 流出方向的明显划痕 划痕呈规则的直线状 盂横截面 首先制备钛合金金相样本 将单因素试验过程中得到 的切屑采用黑色镶嵌粉在镶嵌机上进行横向镶嵌 再分别 采用180目 240目 400目 800目 1200目耐水砂纸进行 磨制 之后在抛光机上利用抛光布进行抛光 抛光过程中 需加金刚石研磨膏 达到镜面效果后 利用共聚焦显微镜 在291X倍数下进行观察 得到切屑横截面显微照片 如 图8所示 通过观察发现 切屑背面在横截面呈现为一条曲线 而自由表面的横截面主要呈现为锯齿状 锯齿的大小 齿 节间距和齿顶角度并不完全相同 锯齿形并非为连续的 切屑横截面整体在中间部分尺寸相对比较均匀 较厚 而 沿着首末部分方向 切屑锯齿形逐渐消失 而且 切屑锯齿 状沿着自由表面垂直到背面的方向 逐渐消失 2 3 2铣削参数对自由表面的影响 淤铣削速度vc对自由表面的影响 单因素实验过程中 不同铣削速度条件下的自由表面 微观形貌 如图9所示 从图中可以看出 在此切削条件下 均产生锯齿形切 屑 当铣削速度vc由180m min到340m min时 切屑的锯齿 形齿宽和齿高并没有发生太大的变化 齿宽 齿顶较小 但 随着切削速度的进一步增加 当vc 420m min vc 500m min 时 切屑锯齿化程度逐渐增加 锯齿宽度和高度增大 在同 一放大比例范围内 随着切削速度的增加 切屑锯齿形的 逐渐数量减少 锯齿形切屑由于绝热剪切滑移后产生了严 重的塑性流动 锯齿形切屑的变化 使切削过程不稳定 造 成了机床刀具系统的颤振 降低了刀具使用寿命 影响了 工件加工表面质量 于每转进给量fr对自由表面的影响 单因素实验过程中 不同每转进给量条件下的自由表 面微观形貌 如图10所示 由图10中可以看出 当fr从0 02mm r到0 04mm r 时 切屑锯齿形齿间距 齿宽较小 锯齿形数量较多 随着 每转进给量的增大 锯齿间的间距 齿宽和齿高越来越大 切屑锯齿化程度逐渐增加 在同一放大倍数范围内 切屑 的锯齿形数量减少 当每转进给量fr 0 08mm r时 部分切 屑锯齿形状发生了严重的破坏 这是由于随着每齿进给量 vc 340m min fr 0 02mm r ae 0 15mm ap 4mm vc 340m min fr 0 06mm r ae 0 15mm ap 4mm 图 7 切屑背面微观形貌 SEM 照片 S4800 15 0kV 8 5mm伊2 00k20 0umS4800 15 0kV 15 3mm伊1 00k50 0um 57 内燃机与配件 图 8 切屑横截面微观形态 渊vc 340m min袁fr 0 06mm r袁ae 0 15mm袁ap 4mm冤 的增加 刀具切削面积增大 从而使得切削力 切削变形增 大 造成了锯齿形切屑的破坏 切削过程中 这种现象对刀 具的损坏 切削系统稳定性影响较大 盂轴向切深ae对自由表面的影响 单因素实验过程中 不同轴向切深条件下的自由表面 微观形貌 如图11所示 随着切削厚度ae的增加 锯齿形切屑齿间距 齿宽距 离增大 切屑锯齿化程度逐渐增大 由于切削厚度增加 切 削力增大 切屑的变形程度增大 相对于切削速度和进给 量而言 切削厚度对锯齿形切屑变化的影响很明显 通过以图9 11可知 在此切削参数范围内均产生锯 齿形切屑 3结论 通过采用立体显微镜 聚焦显微镜和扫描电镜等实验 手段分析了切屑的宏观形态和微观形态特征 主要得到以 下结论 淤在单因素实验条件下 切屑宏观形态主要呈现 带状切屑 螺旋卷曲状切屑 于切屑的宏观形态背面呈现 平滑光亮 自由表面则呈现出毛茸层状 微观形态在切屑 横截面内 背面呈现为一条曲线 自由表面为不规则的锯 齿状 锯齿的大小间距并不完全相同 盂在此实验条件下 切屑微观形态均产生锯齿形 铣削参数对锯齿形切屑齿 宽 齿间距 锯齿化程度等具有较大的影响 参考文献院 1 陈明 安庆龙 刘志强编著 高速切削技术基础与应用 M a 整体图 b 局部放大 vc 180m minvc 260m min 图 9 铣削速度对自由表面的影响 vc 340m minvc 420m minvc 500m min 渊fr 0 02mm r袁ae 0 15mm袁ap 4mm冤 S4800 15 0kV 8 6mm伊2 00k20 0umS4800 15 0kV 8 6mm伊2 00k20 0um S4800 15 0kV 8 7mm伊2 00k20 0um S4800 15 0kV 8 6mm伊2 00k20 0umS4800 15 0kV 8 6mm伊2 00k20 0um 58 Internal Combustion Engine Parts ae 0 20mmae 0 25mmae 0 30mm 图 11 切削厚度 ae对自由表面锯齿状的影响 渊vc 340m min袁fr 0 06mm r袁ap 4mm冤 ae 0 05mmae 0 15mm fr 0 06mm rfr 0 08mm rfr 0 10mm r 图 10 每转进给量 fr对自由表面锯齿状的影响 渊vc 340m min袁ae 0 15mm袁ap 4mm冤 fr 0 02mm rfr 0 04mm r 一版 上海 上海科学技术出版社 2012 2 段春争 王肇喜 李红华 高速切削锯齿性切屑形成过程的 有限元模拟 J 哈尔滨工程大学学报 2014 35 2 226 232 3 J Sun Y B Guo A new multi view approach to characterize 3D chip morphology and properties in end milling titanium Ti 6Al 4V J International Journal of Machine Tools Manufacture 2008 48 1486 1494 4 Daochun Xu Pingfa Feng Wenbin Li et al Research on chip formation parameters of aluminum alloy6061 T6 based on high speed orthogonal cutting model J Int J Adv Manuf Technol 2014 2 5 朱雨恩 万珍平 魏兴钊 钛合金切削时锯齿形切屑形成的 材料组织变化研究 J 机械科学与技术 2011 30 5 838 843 S4800 15 0kV 8 4mm伊2 00k20 0u