不同介质下钛合金高速铣削时铣削力的研究

1 引言

目前，绿色切削主要是指干式切削和准干式切削。干式切削的应用范围目前还比较有限，而完全湿加工又有诸多不足。若将两者的优点相互结合，既可满足加工要求，又可将干式切削的费用降低至最低，并可取得与完全干式加工相同的效果。将这种介于湿式切削与干式切削之间的加工技术称为准干式切削(Near Dry Machining-NDM)加工或最少切削液加工(Minimal Quantities of Lubricant-MQL)。目前完全干式切削加工更多地用于铸铁材料的高速加工中，最近几年，欧洲几家公司用干切削高速加工灰口铸铁件取得很大成功。但从目前的文献来看，完全干式切削应用于钛合金高速铣削中还未见先例。准干式切削主要用于铸铁材料、钢和铝合金的加工中，对于难加工材料的准干式切削研究较少。

一些日本公司在喷氮切削技术发展中做了大量的工作，开发了直接从空气中分离氮气的氮气制气装置并与机床相配，应用结果表明，以氮气作切削介质替代切削液，最大的优点包括：(1)克服了切削液造成的环境污染问题；(2)刀具磨损比干切削大大降低；(3)加工精度高，表面粗糙度稳定；(4)减轻摩擦，降低切削负荷；(5)安全加工镁合金(镁粉遇水会发生燃、爆等安全问题)；(6)使用成本低于切削液。

现将在干铣削、氮气油雾和空气油雾介质下开展钛合金高速铣削力的试验研究，本文即探索上述条件下铣削力的变化规律。

2 试验方案

刀具选用Walter硬质合金镶齿立铣刀，牌号为ZDGT150416R-K85 WMG40，未涂层，直径25mm，刀尖圆角半径r=1.6mm，两齿，见图1。分别在干铣削、空气油雾和氮气油雾介质下开展高速铣削铁合金TC4的单因数铣削力试验研究。

3试验结果分析

 

试验参数：v_c=190m/min,a_p=5mm,f_z=0.1mm/z，分别测量a_e=0.5,1,2,3,4,5mm时的铣削力，试验结果见图2。

图2 不同介质下铣削力随a_e变化的曲线

从图2中可以看出：三种介质下的F_xmax,F_ymax,F_zmax，和F_max都随久增大而增大，其增大趋势基本呈线性关系，原因是随着径向切深的增大，刀具和工件间的铣削包角增大，使刀具的铣削面积增大，从而刀具和工件间的摩擦力增大，所以导致F_ymax：增大；试验中采用的是刀片铣削，刀具的螺旋角为0°,因此随着径向切深a_e的增大，x向和z向的最大的铣削力变化并不是很明显，这和理论上的分析是相符合的。对曲线分别进行线性和指数拟合，其相关系数R²都在0.91以上。

图2(a)表明三种铣削介质下的F_xmax随a_e增加的趋势基本相同，但幅度都不太明显，干铣削的F_xmax稍大于空气油雾和氮气油雾。从图2(b)、(c)、(d)可以看出F_ymax、F_zmax和F_max随a_e增加的幅度较大，不同介质下的变化曲线相似；空气油雾和氮气油雾下的F_ymax、F_zmax和F_max都比干铣削小，其中干铣削的铣削合力比空气油雾分别大了22.2%、15.07%、25.75%、5.98%、8.3%和5.45%，比氮气油雾大18.3%、16.6%、27.5%、15.96%、8.38%和7.92%。另外，空气油雾和氮气油雾下的铣削力大致相同。

轴向切深a_p变化对铣削力的影响

试验参数：v_c=190m/min,a_e=1mm，f_z=0.1mm/z，分别测量a_p=1,2,3,4,5mm时的铣削力，试验结果见图3。

从图3可以看出：三种介质下的F_xmax，F_ymax，F_zmax，和F_max都随a_p增大而增大，其增大趋势基本相同。对曲线分别进行线性和指数拟合，发现其指数拟合的相关系数较高( R²≥0.93)。干铣削时铣削分力和合力均大于空气油雾和氮气油雾，结果与前节相似。

当a_p大于5mm时铣削力增大加剧，可能是因为a_p增大后，铣削力随之增大，铣削过程中刀具系统刚性降低，铣刀容易产生振动造成的。

每齿进给f_z变化对铣削力的影响

试验参数：v_c=190m/min，a_e=1mm，a_p=5mm，分别测量f_z=0.5,0.1,0.15,02,0.25mm/z时的铣削力，试验结果见图4。

从图4中可以看出：三种介质下的F_xmax，F_ymax，F_zmax，和F_max都随f_z增大而增大，对曲线分别进行线性和指数拟合，发现两种拟和的相关系数R²大致相同，并且R²较高，这与低速铣削时的理论不同。在低速时，随f_z的增加，各向铣削力总体呈增大趋势，但铣削力的增加并不随进给量的增加成比例增加。因为进给量增大，切削厚度增大，所以切削面积增大，力会随之增大，但切削厚度增大的同时使变形系数减少，摩擦系数也降低，所以力的增加与进给量的增大并不成比例。高速时，由于铣削区的温度远远高于低速时，铣刀前刀面上的切屑和与铣刀后刀面相接触的已加工表面塑性非常高，因此切削厚度增大使变形系数减少的程度非常低，摩擦系数也降低的很小，所以力的增加与进给量的增大基本成比例。

从图4(d)可以看出，随着每齿进给(f_z≥0.1mm/z)增大，氮气油雾下的铣削合力明显低于空气油雾。据国外的研究资料显示，在高进给下，铣削热增多，氮气下刀具与切屑以及工件之间更容易产生TiN层，因为TiN具有减摩作用，所以在铣削时，由于摩擦作用所产生的铣削力会减少。

铣削速度v_c变化时铣削力的影响

试验参数：aa_e=1mm，a_p=1mm，f_z=0.1mm/z，分别测量v_c=190，250，275和300m/min时的铣削力，试验结果见图5。

图5表明 ：三种介质下的F_xmax，F_ymax，F_zmax，和F_max都随v_c增大而增大，波动不大，这与传统的切削理论不同。传统的切削理论认为，切削力一般随着切削速度的增加而减少，这主要是因为，v_c增大，将使切削温度提高，摩擦系数µ下降，从而使变形系数x减小的原因。对于高速切削时切削力随切削速度变化的规律，国外一些学者也曾做过相关的实验研究。Amdt认为超高速切削时由于高频冲击力的存在，切削力的变化是传统切削力和高频冲击力双重作用的结果，Kusnetsov和Sutter在高速干铣削铝合金AA7075和合金钢AISI1045时，根据试验结果，他们得出了在高速铣削中也存在高频冲击力的结论，该结论与Amdt的理论相吻合。

高速铣削钛合金时，速度的增加虽然也会使x减小，但铣削是断续切削，因冲击而产生的力在整个铣削力中占有相当大的比重，速度越高，冲击越大。高速冲击产生的铣削力增加，远大于因变形系数x减小而造成的铣削力减少，因此在高速铣削钛合金时，铣削力会随v_c增大而增加。

从图5(a)和(d)可以看出，F_xmax和F_max的变化规律与上节相似。当铣削速度超过200m/min时，空气油雾下的F_max大于氮气油雾。特别是当铣削速度达到300mm/min时，空气油雾下的F_max比氮气油雾大了32%。造成这种结果的原因除了因为TiN减摩作用外，还因为在高速下氮气油雾下切屑里的TiN增多，从而使切屑易于脆断，切屑对刀具的摩擦和冲击减少的缘故。

4 小结

空气油雾和氮气油雾介质下的铣削力明显低于干铣削，在高速、高进给时氮气油雾下的铣削力低于空气油雾。

铣削力在钛合金高速铣削时会随径向切深、轴向切深、每齿进给增加而增大。

铣削力在钛合金高速铣削时会随铣削速度的增加而增大，这有别于铁合金低速铣削时的情况。